FLUJOGRAMA

LABORATORIO DE FSICA DE LOS

SEMICONDUCTORES

EXPERIMENTO N 6

El Transistor

INTEGRANTES

Jos Luis Cceres Vera

Sergio Eduardo Nez Aquino

Gary Orlando Echague Prez

AO: 2012

1. Objetivos:

Implementar un circuito de polarizacin por divisor de voltaje en la base del TBJ. Comprobar los estados de saturacin y activa directa del TBJ. Implementar el circuito de polarizacin por divisor de voltaje del TBJ. Capturar la respuesta en frecuencia del TBJ.

2. Marco Terico:Construccin de Transistores El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas de material tipo n y una capa tipo p, o bien, de dos capas de material tipo p y una tipo n. al primero se le llama transistor npn, en tanto que al segundo transistor pnp. Para la polarizacin las terminales que se muestran en la figura 2.14 las terminales se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. La abreviatura BJT suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El trmino bipolar refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyeccin hacia el material polarizado de forma opuesta. Si slo se utiliza un portador (electrn o hueco), entonces se considera un dispositivo unipolar.

a) pnpb) npn

Operacin de los Transistores Se describir la operacin bsica del transistor utilizando el transistor pnp de la figura 2.14a. la operacin del transistor npn es exactamente la misma que si intercambiaran la funciones que cumplen el electrn y el hueco. En la figura 2.15 se dibujo de nuevo el transistor pnp sin la polarizacin base - colector. El espesor de la regin de agotamiento se redujo debido a al polarizacin aplicada, lo que da por resultado un flujo muy considerable de portadores mayoritarios desde el material tipo p hacia el tipo n.

Figura 2.15. Unin con polarizacin directa de un transistor pnp. Ahora se eliminar la polarizacin base - colector del transistor pnp de la figura 2.14a, segn se muestra en la figura 2.16. Una unin p-n de un transistor tiene polarizacin inversa, mientras que la otra tiene polarizacin inversa. Ambos potenciales de polarizacin se aplicaron a un transistor pnp, con el flujo resultante indicado de portadores mayoritarios y minoritarios. Los espesores de las regiones de agotamiento, que indican con claridad cul unin tiene polarizacin directa y cul polarizacin inversa. Habr una gran difusin de portadores mayoritarios a travs de la unin p-n con polarizacin directa hacia el material tipo n. As, la pregunta sera si acaso estos portadores contribuirn de forma directa a la corriente de base IB o si pasarn directamente al material tipo p. Debido a que material tipo n del centro es muy delgado y tiene baja conductividad, un nmero muy pequeo de estos portadores tomar esta trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base. En otras palabras, tuvo lugar una inyeccin de portadores minoritarios al material de la regin de la base tipo n. A la combinacin de esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios en la regin de agotamiento atravesarn la unin con polarizacin inversa de un diodo puede atribursele el flujo.

Figura 2.16. Unin con polarizacin inversa de un transistor pnp.

Configuracin de Emisor Comn La configuracin de transistor que se encuentra ms a menudo aparece en la figura 2.20 para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuracin de emisor comn debido a que el emisor es comn o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es comn tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez ms, se necesitan dos conjuntos de caractersticas para describir por completo el comportamiento de la configuracin de emisor comn: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor. En la regin activa de un amplificador de base comn la unin del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unin base-emisor se encuentra polarizada directamente. Para propsitos de amplificacin lineal (la menor distorsin), el corte para la configuracin de emisor comn se definir mediante IC = ICEO.

a) transistor npn b) transistor pnp

Caractersticas de entrada y salidaLa entrada del circuito en emisor comn esta entre la base y el emisor Por lo tanto la caracterstica de entrada describe la corriente de entrada Ib en funcin de la tensin de entrada Vbe con la tensin de salida Vce, constante. Las curvas caractersticas de entrada para diferentes tensiones de salida se muestran en la figura 4.2

Como puede verse en la figura 4.2 cuando el colector esta conectado al emisor Vce = 0 y la juntura base emisor esta directamente polarizada, la curva de entrada describe la caracterstica de un diodo directamente polarizado.La salida del circuito en emisor comn esta entre el colector y el emisor. Por lo tanto la caracterstica de salida mostrara la dependencia de la corriente de colector Ic con la tensin colector emisor Vce, cuando la corriente de base s mantiene constante (Ib = cte.). En la figura 4.3 se ven las caractersticas de salida de un diodo NPN de silicio.

Zonas de operacin de un transistorLas regiones de operacin de un transistor se dividen generalmente en 3 zonas: zona activa, zona de corte y zona de saturacin. Estas 3 zonas estn sealadas, en la figura 4.4, sobre la caractersticas de salida del transistor.

Zona activaComo se ve en la figura 4.4, la zona activa del transistor es aquella parte de la caracterstica en la que la corriente de base es mayor a cero Ib>0 y la tensin colector emisor es mayor que unas dcimas de voltios.El transistor estar en la zona activa siempre que su juntura base emisor este directamente polarizada y su juntura base colector inversamente polarizada. En entra zona la corriente de salida depende principalmente de la corriente de base mientras que depende muy poco de Vce. Si deseamos construir un amplificador lineal sin distorsin, el transistor debe operar en esta zona.De la figura 4.1, podemos escribir la siguiente ecuacin:Ib = Ie + Ic (4-1)Tambin tenemosIc = .Ie + Ic0 (4-2)Ie = (Ic Ic0)/ (4-3)

Sustituyendo la ecuacin 4.3 en la ecuacin 4.1 y resolviendo para Ic tenemos:Ic = / (1-) .Ib + Ic0/(1-) (4-4)Y sabiendo que = / (1-) sustituimos y obtenemos:Ic = .Ib + ( + 1).Ic0 (4-5)Normalmente podemos despreciar el trmino en el que la figura Ic0, puesto que es muy pequeo comparando con .Ib y entonces podemos escribir, para la zona activa:Ic = .Ib (4-6)El factor de amplificacin no es constante para diferentes transistores del mismo tipo, por lo tanto, existe un intervalo de valores que puede tomar. Para un transistor particular, depende de la corriente de colector Ic y de la temperatura.

Zona de corteEn la configuracin de emisor comn el corte del transistor se define como la situacin en la que la corriente de perdida Ic0, con la corriente de emisor igual a cero (Ie = 0).De la ecuacin 4.5 puede verse que una base en circuito abierto Ib = 0 no es suficiente por el corte, puesto que Ic = ( + 1)Ic0. En otras palabras, para que el transistor se encuentre en la zona de corte es necesario que:Ib = -Ic = -Ic0 (4-7)Para obtener esto, una pequea polarizacin inversa debe ser aplicada a travs de la juntura base emisor. Puede verse que una polaridad de 0 V para un transistor de silicio y 0,1 V para un transistor de germanio sern normalmente suficientes para provocar el corte.

Zona de saturacinEn la zona de saturacin las dos junturas del transistor, base-emisor y base-colector, estn directamente polarizadas. La tensin de salida es muy pequea (Vce alrededor de 0,3V).En saturacin la corriente de salida es casi completamente independiente del transistor y de la corriente de entrada Ib, y queda determinada por la tensin de alimentacin Vcc y la carga RL.Por lo tanto, en el circuito que se ve en la figura 4.1 la corriente de salida Ic en saturacin ser:Ic = Vcc/RL (4-8)

Resistencias de entrada y salida (Ren y Rsal)a) Resistencia de entrada Ren: Ren es la resistencia que ve una fuente conectada a los terminales de entrada. Ren puede definirse como la razn entre el cambio de tensin de entrada y el cambio de la corriente de entrada. Cuando la tensin de salida se mantiene constante. Para un circuito emisor comn:

Puede calcularse de las caractersticas de entrada. El valor de Ren es del orden de varios K.

b) Resistencia de salida Rsal: Rsal es la resistencia que ve el circuito conectado a los terminales de salida. Rsal puede definirse como la razn entre el cambio de tensin de tensin de salida y el cambio de corriente de salida, cuando la corriente de entrada es mantenida constante. Para un circuito emisor comn podemos escribir:

Puede calcularse de las caractersticas de salida, es relativamente alta, del orden de decenas o cientos de K.Modos de TrabajoDependiendo de la condicin de polarizacin (directa o inversa) de cada unade las junturas, se tienen distintos modos de operacin. En el modo activo, elBJT opera como amplificador. Los modos corte y saturacin permiten usar eltransistor como interruptor.Para el trabajo en zona activa, la alimentacin debe ser de acuerdo a laFig. 4. La juntura base-emisor debe encontrarse polarizada en sentido directo;en cambio la juntura base-colector debe polarizarse en forma inversa. Cuandose cumplen simultneamente ambas condiciones, el BJT se encuentra en zonaactiva. As para un transistor npn, VBE > 0; luego VEB > 0 para un transistorpnp.En zona activa, la corriente del colector est dada poric = Ise vBE/VT (8)Donde Is es la corriente de saturacin inversa. Luego, la corriente de basese expresa comoiB =iC / (9)Donde es una constante propia del transistor, la cual vara entre 100 y 200para algunos casos, pero puede llegar a valores muy elevados (o bajos 40 y 50), y recibe el nombre de ganancia de corriente de emisor comn. De acuerdo a(6), se tieneiE = iC + iBLuego iE = ( + 1) iC / ; lo que se puede expresar como iC = iE. Donde esllamada la ganancia de corriente en base comn y su valor es muy cercano a 1(0.99 para = 100).

Figura 4- Polarizacin del transistor. (a) npn, (b) pnp.Representacin gr.ca de las caractersticas del BJTComo iC vara de acuerdo a (8), se construye la curva de entrada iB - vBE,o la curva iC - vBE, pues slo difiere en una constante de acuerdo a (9). Lacaracterstica de salida se expresa a travs de una curva iC - vCE. Dicha curvamuestra como vara la corriente de colector para distintos valores de la corrientede base. Cada curva indicada es debido a un valor de iB en particular.

Figura 5- (a) Caractersticas de entrada, (b) Caractersticas de salida.

De acuerdo a la Fig.5, cuando el transistor est operando, se establece unvoltaje en la juntura BE llamado VBE(ON), ste permite establecer una corrienteen la base llamada IBQ: Debido a la caracterstica de amplificacin, la corrientede colector ser ICQ = IBQ. El voltaje vCE en la zona activa ser mayor quecero pero menor que la fuente de alimentacin que se use para tal efecto.

Figura 6- Zonas de funcionamiento del BJT.En la Fig. 6 se pueden identificar las tres zonas de funcionamiento, luegose tiene la zona de corte, para la cual se cumple que iB = 0, esto implica unacorriente de colector iC = 0, dicha zona se encuentra en la parte inferior delcuadrante. En la zona de saturacin, donde en el BJT npn, la juntura BE estpolarizada directa y la juntura BC tambin, esto produce un incremento de lacorriente, lo que lleva a una disminucin del voltaje colector emisor, sta serla zona a la izquierda en el primer cuadrante. En trminos ideales vCE 0; sinembargo, en trminos prcticos se establece que el transistor estar en saturacinpara un valor del voltaje colector emisor menor a VCE(Sat), donde este valor seestablece en 0.2[ V ].En la zona derecha se tiene la curva de mxima disipacin de potencia deldispositivo, si el transistor traspasa la zona de mxima disipacin, ste se des-truye. El punto de operacin deber ubicarse entre las zonas indicadas.Configuraciones bsicas con el BJTDado que el BJT es un dispositivo de 3 terminales, existen tres posibilidadesdiferentes para referirse al comn (referencia comn de los potenciales) del cir-cuito, base comn, emisor comn y colector comn.

Figura 7- (a) Emisor comn, (b) Colector comn, (c) Base comn.3. Materiales utilizados: Multmetro digital. Generador de seales. Osciloscopio. Puntas de prueba. Protoboard. Componentes Electrnicos.

4. Desarrollo de la Prctica:

1- CURVA CARACTERSTICA. Polarice el circuito de la figura.

Modifique la fuente que alimenta al colector del TBJ con los valores de voltaje que indica la tabla 1. Llene y reporte la tabla 1 Grafique los datos de la tabla 1.VBEVCEIC (mA)

2030.6

20.278.2

20.492.3

20.694.8

20.8100.1

21105.6

21.2110.3

21.4113.02

21.6119.5

21.8119.89

22120.5

22.2122

22.4125.4

22.6127

2- POLARIZACIN POR DIVISOR DE VOLTAJE. Polarice el circuito de la figura.

Ajuste la resistencia de base a RB=1M para reducir al mnimo la corriente de base y a su vez para mantenerla constante. Ajuste la resistencia de colector a RC=100. Con este mtodo verifique siempre que el voltaje de la fuente de base cumpla VccV BB(VE+VBE(ON)) . Ahora se va a medir la curva de operacin modificando la resistencia de colector tal como indica la tabla 2 (Slo debe medir el voltaje colector-emisor hasta que alcance la mitad del voltaje de polarizacin. Una vez logrado el voltaje deseado, mida la corriente tanto en el colector como en la base). R()VCE(V)IC(mA)IB(A)R()VCE(V)IC(mA)IB(A)R(k)VCE(V)IC(mA)IB(A)

1009.10.639710008.50.533.51106.60.231.71

1208.90.63.9512008.40.523.43126.50.211.54

1508.90.63.9415008.30.493.3156.30.181.35

1808.90.63.9318008.10.473.19186.10.161.21

2208.90.63.9122008.040.453.052260.141.06

2708.80.593.8827007.80.432.9275.80.110.91

3308.80.593.8433007.70.42.73335.70.10.8

3908.80.583.8139007.50.372.59395.60.090.7

4708.70.573.7647007.40.352.42475.50.0750.61

5608.70.573.7256007.20.322.25565.40.0650.53

6808.60.563.6668007.050.292.08685.30.0560.45

8208.50.553.5982006.80.261.91825.30.0470.4

3- RESPUESTA EN FRECUENCIA DEL CIRCUITO DE POLARIZACIN PORDIVISOR DE VOLTAJE. Conecte el circuito de la figura.

Vari la frecuencia del generador de seales segn se indica y complete la tabla 3.

VENT (Vp)Frecuencia(kHz)VSAL(Vp)

0.110Fig 01

0.120Fig 02

0.130Fig 03

0.140Fig 04

0.150Fig 05

0.160Fig 06

0.170Fig 07

0.180Fig 08

0.190Fig 09

0.1100Fig 10

Tabla 3.

Fig.1 Fig.4

Fig.2 Fig.5

Fig.3 Fig.6

Fig.7 Fig.8

Fig.9 Fig.10

Conclusin

En esta experiencia de laboratorio realizamos mediciones utilizando el transistor bjt y observamos su comportamiento. Mediante el cual podemos decir que el transistor es un componente bsico y bastante importante, cuyo uso se ha hecho universal debido a sus aplicaciones, llegando a representar la lgica de funcionamiento de varios circuitos integrados. Observamos como polarizar los transistores y cules son las caractersticas de estos circuitos, observamos cmo trabaja el transistor en estas configuraciones y que ventajas y desventajas presentan. Tambin hemos montado un circuito con seal alterna y observamos su salida a travs de un osciloscopio para determinar sus caractersticas.

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