BJT

1. Transistores Bipolares (BJT)
Electrónica de Potencia
CIDCA

2. Contenido
• Principios físicos
• Modelos de Ebers-Moll
• Estado activo directo
• Estados de corte y saturación
• La recta de carga
• Transistor pnp
• Análisis del punto Q

3. Introducción
Los transistores de unión bipolares o bipolares tienen
aplicaciones en electrónica analógica y digital.
En electrónica analógica sus funciones son: amplificar
señales, generar tensiones de referencia, proporcionar energía,
proteger de sobrecalentamiento, etc.
En electrónica digital sus funciones son: interruptores
controlados por corriente, memorias digitales, etc.

4. Construcción
El transistor bipolar se construye como un emparedado de tres
regiones, tipo n, p, y n (o p, n, p). La base tipo p(n) se
empareda por el emisor y el colector tipo n(p).
n np
Emisor ColectorBase
E
B
C
E C
B
p pn
Emisor ColectorBase
E
B
C
E C
B
Transistor npn Transistor pnp

5. Polarización en zona activa
La unión de emisor y base se polariza directamente y la
unión base colector se polariza inversamente.
n np
Emisor ColectorBase
E
B
C
E C
B
Potencial de los electrones

6. Corrientes en el transistor

7. continuación
iE – corriente total de emisor
iB – corriente total de base
iC – corriente total de colector
g iE– corriente de electrones inyectados a la base
at(g iE) = aF iE – fraccíón de corriente de electrones
inyectados que llegan al colector.
at – factor de transporte

8. Modelo de Ebers-Moll
DCDEFC iii a
La corriente en el
colector es:
   11  TBCTBE Vv
CS
Vv
ESFC eIeIi a
Sustituyendo
   11  TBCTBE Vv
CSR
Vv
ESE eIeIi a
Similarmente para el emisor
aRiDC aFiDE
iDE iDC
iE
iB
iC

9. Continuación
La ley de reciprocidad establece que:
Donde aF es la alfa directa y aR es la
alfa inversa.
Sustituyendo en las ecs. anteriores
SCSRESF III aa
   11  TBCTBE Vv
R
SVv
SC e
I
eIi
a
   11  TBCTBE Vv
S
Vv
F
S
E eIe
I
i
a

10. Estados del transistor
Polarización de las uniones
Estado Base emisor Base colector
Activo directo Directa (vBE > Vg) Inversa (vBC < Vg)
Transistor inversoInversa (vBE < Vg) Directa (vBC > Vg)
Cortado Inversa (vBE < Vg) Inversa (vBC < Vg)
Saturado Directa (vBE > Vg) Directa (vBC > Vg)
Los estados del transistor se pueden resumir en la
siguiente tabla:

11. continuación
Saturación
Activo inverso
Corte Activo directo
0.5
0.5
0
0
vBE
vBC

12. Estado activo directo
En el amplificador de emisor común la fuente en el circuito de base
polariza directamente a la unión base-emisor y una fuente de mayor
tensión polariza inversamente la unión base-colector. El voltaje vBE
deberá ser mayor que la tensión de codo y los términos que llevan vBE
son mucho mayores que 1. La tensión vBC es mucho menor que la
tensión de codo, las exponenciales que incluyen vBC son mucho menores
que 1. Las ecuaciones de Ebers-Moll quedan como:
R
SVv
SC
I
eIi TBE
a
 S
Vv
F
S
E Ie
I
i TBE

a
El segundo término es mucho más pequeño que el primero, simplificando
llegamos a:
EFC ii a

13. Características de transferencia
De la ley de Kirchhoff de corrientes se llega a: B
F
F
C ii
a
a


1
Definimos la beta directa del transistor como:
F
F
F
a
a



1
Entonces: BFC ii β y   BFE ii 1β 
Es fácil mostrar que la ecuación de entrada en emisor común
es:
 
TBE Vv
FF
S
B e
I
i
1

a

14. Configuración de base común
n p n
ICIE
IB
E
B
C
VEE VCC
+ +
En la configuración de base común la terminal de la base del transistor es
común al circuito de entrada (izquierda) y al de salida (derecha).
Las fuentes se etiquetan repitiendo el nombre de la terminal a la cual están
conectadas.

15. Características de entrada en Base
común
Las características de entrada en
base común relacionan la corriente
de emisor IE, con el voltaje en la
unión de emisor-base VBE para
diferentes valores del voltaje de
salida VCB.
Para considerar que un transistor
está encendido supondremos VBE =
0.7V

16. Características de salida
Las características de salida en base común relacionan la corriente de colector
IC, con el voltaje en la unión de colector-base VCB para diferentes valores de la
corriente de entrada IE.
Aquí se distinguen las diferentes regiones de operación.

17. Corriente de saturación inversa ICBO
Esta es la corriente que circula en la unión base-colector cuando la
corriente de emisor es igual a cero.

18. a del transistor
E
C
dc
I
I
a
La alfa en corriente directa se define como
Los valores típicos son de 0.9 a 0.998.
Si el punto de operación se desplaza sobre la curva
característica, se define la alfa de corriente alterna
constante



CBVE
C
ac
I
I
a
Los valores típicos de aac son prácticamente iguales adc.

19. El transistor como amplificador
Considere la siguiente red donde se ha omitido la polarización.
p n p
ILIi
E
B
C
Vi = 200 mV Ri
20 Ohm
R
5k Ohm
VL
+

Ii = 200mV/20 = 10 mA
IL = Ii = 10 mA
VL = IL RL = (10mA)(5k Ohm) = 50 V
Ganancia de voltaje = VL/Vi = 50V/200mV = 250

20. Configuración de emisor común
Configuración de emisor común para transistores npn y pnp.

21. Características de entrada en Emisor
común
Las características de entrada en
emisor común relacionan la corriente
de emisor IE, con el voltaje en la
unión de emisor-base VBE para
diferentes valores del voltaje de
salida VCE.

22. Características de salida
Las características de salida en emisor común relacionan la corriente de
colector IC, con el voltaje en la unión de colector-base VCB para diferentes
valores de la corriente de entrada Ib.
Aquí se distinguen las diferentes regiones de operación.

23. Corrientes en emisor común
aa
a




11
CBOB
C
II
I
De las corrientes del transistor tenemos:
IC = aIE + ICBO
Pero IE = IC + IB, sustituyendo,
IC = aIC + aIB + ICBO
Reordenando
Definimos ICEO = ICBO/(1 – a)
con IB = 0

24. Ejemplo

25.  del transistor
B
C
dc
I
I

constante



CEVB
C
ac
I
I

Definimos la b de corriente continua como
Suele tener un valor de entre 50 a 400. En las hojas de datos
se especifica como hFE.
La  de ac se define como
En las hojas de datos se especifica como hfe.

26. Ejemplo
108
25
7.2
100
10
1
2030
2.22.3
12
12
constante












A
mA
I
I
A
mA
AA
mAmA
II
II
I
I
B
C
dc
BB
CC
VB
C
ac
CE





27. Relación entre a y 
a
a



1
Dado que a = IC /IE y = IC /IB y además IE = IC + IB, es fácil
mostrar que


a


1
IE = (  1IC
Además se puede mostrar que
ICEO = ICBO
IC = IB

28. Configuración de colector común
p
n
p
IC
IE
IB
E
B
C
VEE
VBB
n
p
n
IC
IE
IB
E
B
CVBB
VEE
La impedancia de entrada de esta configuración es alta y la de
salida es baja.
Las características de salida son las mismas que las de emisor
común reemplazando IC por IE. Las características de entrada
son las mismas que para emisor común.

29. Límites de operación
En las hojas de datos de los
transistores se especifica la
corriente máxima del
colector y el voltaje máximo
entre emisor y colector VCEO
o V(CEO).
La potencia de disipación
máxima se defino por:
PCmax = VCEIC
Se debe cumplir:
ICEO < IC < ICmax
VCEsat < VCE < VCEmax
ICEIO < PCmax

30. Hojas de datos
2N4123

31. Encapsulados
TO-92 TO-18 TO-39 TO-126 TO-220 TO-3

33. Construcción

34. Modelo de emisor común
iB
vBE
FiB
E
B C
Modelo de gran señal para el transistor en emisor común

35. Almacenamiento de cargas minoritarias
La concentración de electrones
en la unión base-emisor es:
  TBE Vv
a
i
e
N
n
n
2
0 
La pendiente de esta curva es
proporcional a la corriente de
colector
  TBE Vv
a
i
e
WN
n
W
n
pendiente
2
0

Sustituyendo el factor exponencial
 
C
sa
i
i
IWN
n
W
n
pendiente
2
0

Emisor Base Colector
n(0)
n(x)
x

36. Estados de corte, saturación y activo
inverso
Zonas de funcionamiento para los cuatro estados del transistor sobre las
curvas características de salida.
VCE,sat= 0.2
iC
vCE
IB1
IB3
IB2
IB4
IB=0
IB1
IB3
IB2
IB4
Corte
Corte
Activo
directo
Activo
inverso
Saturación
Saturación

37. Corte y saturación
En la región de corte las corrientes del
transistor son cero. Si se considera los
efectos de la temperatura, habrá que
incluir la corriente inversa de saturación
entre colector y base.
B
C
E
B
C
E
ICB0
En saturación el transistor no funciona como
fuente de corriente controlada por corriente.
Cuando está saturado iB  iC.
C
E
B
0.7 V 0.2 V
iB iC

38. Funcionamiento activo inverso
En este caso la corriente de emisor es -RiB, donde
R
R
R
a
a



1
Por la ley de Kirchhoff
  BRBEC iiii 1 
Dado que R + 1 << F, las curvas en el tercer cuadrante están menos
separadas que en las del primer cuadrante.
C
EB
VBC=
0.7 V
iB
iC
RiB

39. La recta de carga
La recta de carga es una ayuda para obtener las corrientes y tensiones de un
dispositivo cuando está descrito pos sus curvas características. Las variables de
entrada deben cumplir dos restricciones simultáneamente.
La característica de entrada iB y vBE debe estar en algún punto de la curva no
lineal. La otra condición es la impuesta por el circuito externo.
La recta de carga pasa por los puntos (vBE, iB)=(VBB, 0) y (vBE, iB)=(0, VBB/RB).
VBB vBE
iB
vCE
iC
VCC
RC
RB
+
+
+
+



0
10
20
30
40
0.7
vBE
 μABi
50
RB VBB
Punto Q
Recta de carga
de entrada
-1

40. Recta de carga (continuación)
0
10
20
30
40
0.5 0.7
 μABi
50
VBB
vBE
VCC/RC
0
1
2
3
4
iC(mA)
iB=10A
VCE
(voltios)
5
6
iB=20A
iB=30A
iB=40A
iB=50A
iB=60A
1 2 3 4 5 6 7 8
Q
VCC
Caida de
tensión en el
transistor
Caida de
tensión en la
resistencia

41. Recta de carga de saturación
VBB
8V
vBE
iB
vCE
iC
120kW
+
+
+
+


 +
vBC
2kW
Para el circuito de la figura:
k
V
i BB
B
120
7.0

Vg 0.7
vBE
iB
VBB
1 2 3
Cuando la base alcanza 39A, el
transistor alcanza la saturación.
k
V
Ai EOSBB
EOSB
120
7.0
39 ,
,

 

42. 0
1
2
3
4
iC(mA)
iB=10A
vCE
5
6
iB=20A
iB=30A
iB=40A
iB=50A
iB=60A
1 2 3 4 5 6 7 8
Incremento
de VBB
VCE,sat= 0.2
iC
iB=IB
vCE
IC
IB
Una medida cuantitativa de saturación es la beta forzada, definida para el
transistor saturado por
saturadotransistorB
C
forzada
i
i


43. Almacenamiento de cargas en un
transistor saturado
Emisor Base Colector
n
n
Emisor Base Colector
n
Emisor Base Colector
QFA
QS
QT = QFA + QS
La concentración de carga de minoritarios es
la superposición de concentraciones
individuales creadas por los incrementos
idénticos de vBE y vBC.
Inyección del colector
Inyección
del emisor
Límite del
valor de
saturación

44. Transistor pnp
B
Cp pn
iE
iB
iC
E iC
C
B
iB
iE
E
aRiDC aFiDE
iDE iDC
iE
iB
iC

45. Configuración de emisor común
iB
vBE
iE
iC
vCE
+
-
+
-
Entrada Salida
Características de entrada y salida:
-0.7
vBE
Bi
-0.2
iC(mA)
iB
vCE

46. Análisis del punto Q
FiB
B
C
E
iB
vBE
E
B C
Zona activa
Zona de corte
C
E
B
0.7 V 0.2 V
iB iC
Zona de saturación

47. Análisis del estado activo
Si el transistor trabaja en el modo activo directo, se puede sustituir
el transistor por su modelo activo de gran señal.
El análisis de beta infinita hace las siguientes suposiciones:
1. VBE = 0.7 para npn y –0.7 para pnp.
2. IB = 0
3. IC = IE
Para niveles de corriente bajos es conveniente utilizar el SPICE.

48. Análisis cuando el estado es desconocido
Análisis de circuitos con transistores de tres estados:
1. Hacer una suposición razonada acerca del estado del transistor
2. Hacer un diagrama del circuito, sustituir cada transistor por el modelo para
su supuesto estado.
3. Analizar el circuito resultante para obtener valores de prueba asociadas con
cada modelo.
4. Examinar las variables de prueba, buscando contradicciones al estado
supuesto.
5. Si hay una contradicción, hacer una nueva suposición basada en la
información calculada y volver al paso 2.
6. Cuando no haya contradicciones, las tensiones y corrientes calculadas a
partir del circuito equivalente se aproximan a las del circuito real.

49. Prueba de validez para los estados del transistor supuestos. Como el estado
activo inverso ocurre raramente, las pautas suponen primero funcionamiento en
el primer cuadrante donde el funcionamiento activo inverso no puede ocurrir.
Suponiendo funcionamiento activo directo:
1. Sustituir por el modelo activo directo
2. Si iB  0, suponemos corte.
3. Si VCE  0.2, suponemos saturación.
Suponiendo corte
1. Sustituir el modelo de corte
2. Si VBE  0.5, suponer transistor activo
Suponiendo saturación
1. Sustituimos por el modelo de saturación
2. Si iB < 0, suponemos corte
3. Si iC > FiB, suponemos funcionamiento activo directo

50. Resumen
IC  0, IE  0
y IB  0
-IC  a·IE y -IB  (1-a)·IE
-IC  -·IB y IE  -(1+)·IB
VCB < 0
Zona Activa
IE
-IB
-IC
-
+VCB
P
P
N
VEB
R
V1
Zona de Corte
IE
-IB
-IC
-
+VCB
P
P
N
VBE
R
V1 IE
-IB
-IC
-
+VCB
P
P
N
VEB
R
V1
Zona de Saturación
VCB > 0 (VCE  0)
-IC  V1/R