APUNTE: EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (B J T)

APUNTE: EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (B J T)

APUNTE: EL TRANSISTOR BIPOLAR
DE JUNTURA (B J T)
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INDICE
El Transistor Bipolar de Juntura ( B J T)……………………………………
Estructura del Transistor..……………………………………………………
Simbología del Transistor……………………………………………………
Encapsulados del Transistor...………………………………………………
Polarización del Transistor..…………………………………………………
Operación del Transistor..……………………………………………………
Parámetros del Transistor...…………………………………………………
Alfa de Componente Continua………………………………………………
Alfa de Componente Alterna…………………………………………………
Beta de Componente Continua......…………………………………………
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EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (B J T)
La abreviatura BJT (bipolar junction transistor o transistor de unión bipolar) se
aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales.
El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en
el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno de
los portadores se emplea (electrón o hueco), se considera que el dispositivo es
unipolar.
a) Estructura del Transistor
El transistor bipolar de juntura (BJT) se puede definir como la unión de tres obleas
de Silicio o Germanio dopadas alternativamente con material tipo PNP o NPN
como se muestra en la figura 1 para un material tipo NPN.
Figura #1: Material Tipo NPN.
A cada material dopado se conecta un terminal metálico al que llamaremos
terminal de Emisor, terminal de Base y terminal de Colector. Sin embargo, cada
material tiene un Área y cantidad de dopaje diferente entre sí.
a) El Emisor es el material más dopado del transistor y su área es mediana. La
función principal del Emisor es Emitir electrones. Hacia el colector.
b) La Base es el material menos dopado y de área más pequeña. Su función es
de servir como Base o referencia para los otros terminales.
c) El Colector es el material de mayor área y medianamente dopado. Su función
es de Colectar o recibir los electrones provenientes del Emisor.
Figura #2: Estructura de un transistor NPN
Como podemos observar, entre los terminales Emisor y Base se tiene el
equivalente a un diodo de unión o Juntura que denominaremos Jbe por Juntura
base-emisor. Una situación similar se produce entre la Base y Colector que
denominaremos Jbc. Eso es, si imaginariamente dividimos la base en dos partes,
obtendremos la equivalencia a dos diodos según se muestra en al figura #3. Sin
embargo, debemos decir que debido a la diferencia de dopaje que existe en cada
uno de los terminales, es que la barrera de potencial producida en la unión Base –
Emisor es mayor que la barrera de potencial producida en la unión Base –
Colector, lo que es fundamental para determinar cada uno de los terminales
utilizando un multitester selectado como prueba de diodo.
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Figura #3: Junturas equivalentes
Considere que se tiene un transistor tipo NPN, entonces el terminal base
conducirá como diodo (terminal positivo), tanto hacia el terminal colector (Jbc)
como al terminal emisor (Jbe), además, entre los terminales colector y Emisor no
debe conducir en ningún sentido. Identificado entonces el terminal base, se
puede determinar fácilmente terminal Emisor observando su mayor barrera de
potencial o mayor impedancia al ser polarizado directamente que el terminal
colector respectivamente.
b) Simbología del Transistor
Electrónicamente, el transistor tiene su propia simbología dependiendo si el
material es NPN o bien es PNP como se muestra en la figura #4, donde E
=Emisor; B =Base y C =Colector.
Figura #4: Simbología del transistor
Como se puede apreciar en la figura #4, el Emisor contiene una flecha que no
penetrará si el dispositivo es NPN, si la flecha penetra entonces el dispositivo es
PNP. Como veremos posteriormente, esta flecha nos indica el sentido que tendrá
la corriente en el Emisor.
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c) Encapsulados del Transistor
El transistor tiene posee diferentes tipos de encapsulados, dependiendo de sus
características. Así por ejemplo, se tienen transistores de potencia, de alta
ganancia, etc.
Estas características y por supuesto, su dopaje diferencia a un transistor de otro,
por lo cual cada tipo de transistor tiene un código propio que lo identifica del resto
de sus homólogos. La figura #5 muestra algunos tipos de encapsulados.
Figura #5: Encapsulados del transistor
Cuando el encapsulado es metálico, entonces el terminal colector corresponderá a
la carcaza del dispositivo.
d) Polarización del Transistor
Polarizar al transistor, significa entregar una diferencia de potencial o voltaje entre
sus terminales. La polarización es necesaria para establecer una región de
operación apropiada para la amplificación de señal alterna.
Para el caso del transistor, se requerirá que la juntura Base-Emisor (Jbe) esté
polarizada en forma directa, mientras que la juntura Base-Colector (Jbc) ) esté
polarizada en forma inversa. Como se muestra en la figura #6 para un transistor
NPN.
Figura #6: Polarización de un transistor NPN
La figura 7 muestra un transistor PNP (a) y NPN (b) polarizado, como así también,
nos muestra la relación que tiene el área de base con respecto al área total.
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Figura #7: Polarización del transistor.
e)
Operación del Transistor
La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor pnp
de la figura #8. La operación del transistor npn es exactamente igual si se
intercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos.
En la figura 8 se ha redibujado el transistor pnp sin la polarización base a colector.
Nótense las similitudes entre esta situación y la del diodo polarizado directamente.
El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarización
aplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del material
tipo p al tipo n
Figura 8 Unión polarizada directamente para un transistor PNP
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Como se puede observar de la figura #8, el ancho de la región de agotamiento se
ha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo de
portadores mayoritarios del material tipo p al n.
Eliminaremos ahora la polarización base a emisor del transistor pnp de la figura
7a, para dejar la polarización inversa que se presenta en la unión base colector
como se indica en la figura 9. Recuérdese que para una polarización inversa, el
flujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo de
portadores minoritarios y la zona desierta o región de agotamiento se ensanchará.
Figura 9: Unión polarizada inversamente para un transistor PNP
Consideremos ahora el funcionamiento del transistor polarizado como se muestra
en la figura #10. En la cual, una unión p-n del transistor está polarizada
inversamente, en tanto que la otra unión presenta polarización directa.
Figura 10:Flujo de portadores mayoritarios y minoritarios
de un transistor pnp
Observamos en la figura 10 que ambos potenciales de polarización se han
aplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritario
que se indica. Nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indican
con toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente.
Como se indica en la figura 10, un gran número de portadores mayoritarios desde
el emisor se difundirán a través de la unión p-n polarizada directamente hacia la
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base dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadores
contribuirán en forma directa a la corriente de base IB o pasarán directamente
hacia el material tipo p del colector. Puesto que el material tipo n (Base) es
sumamente delgado y tiene una baja conductividad al tener un número muy
pequeño portadores mayoritarios, es que el mayor número de estos portadores
mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada inversamente dentro del
material tipo p conectado a la terminal del colector, como se indica en la figura 10.
La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios pueden
cruzar la unión polarizada inversamente hacia el colector, puede comprenderse si
consideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadores
mayoritarios del material tipo P inyectados desde el emisor, aparecerán como
portadores minoritarios en el material tipo n de la base. En otras palabras, ha
habido una inyección de portadores minoritarios al interior del material de la región
base de tipo n. Combinando esto con el hecho de que en un diodo polarizado
inverso, la corriente se produce por los portadores minoritarios, se explica el flujo
que se indica en la figura 10.
Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff al transistor de la figura 10 como si fuera
un solo nodo, obtenemos
1.0)
IE = IC + IB
y descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el
colector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector está formada por dos
componentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en la
figura 10. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga y
se simboliza mediante ICO (corriente IC con la terminal del emisor abierta = open).
Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante la
ecuación.
1.1) IC = ICmayoritaria + ICOminoritaria
En el caso de transistores de propósito general, IC se mide en miliamperes, en
tanto que ICO se mide en microamperes o nanoamperes.
ICO para el transistor es como Is para un diodo polarizado inversamente, es decir,
es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando se
consideren para aplicaciones con intervalos amplios de temperatura.
Si este
aspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de un
sistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en las
técnicas de construcción han producido niveles bastante menores de ICO, al
grado de que su efecto puede a menudo ignorarse.
En forma análoga, podemos considerar la polarización del transistor NPN, en la
cual, el movimiento es de electrones desde el Emisor hacia el Colector
fundamentalmente y una pequeña corriente de electrones circulará por la Base.
En efecto, el nombre EMISOR obedece al hecho de que este terminal emite o
entrega electrones, el terminal COLECTOR obedece al hecho de que este terminal
recibe o colecta los electrones desde el Emisor. El terminal BASE en cambio,
corresponde al terminal de referencia o base para el transistor.
Parámetros del transistor
Alfa de componente continua ? cd.
Dependiendo del dopaje, se puede conocer de antemano el porcentaje de
portadores mayoritarios que son inyectados desde el Emisor y que llegan al
colector. A este porcentaje, dado en tanto por uno tiene el nombre de Alfa (? ), es
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así por ejemplo, que si en un transistor tipo NPN tiene ? ?= 0,9. Quiere decir que el
noventa por ciento (90%) de los electrones inyectados en el Emisor llegan al
colector y el resto, es decir, el 10% llegará a la Base. Como la corriente es el
número de portadores mayoritarios (para nuestro caso particular electrones) por
unidad de tiempo, se puede decir que:
1.2) Ic = ? cd * IE + ICO
Si despreciamos los portadores minoritarios, se puede decir que Ic = ? cd * IE.
Mientras más delgada y menos contaminada sea la capa de base, más alta será
el valor de ? cd??
Alfa de componente alterna ? ca.
Para las situaciones de ca en donde el punto de operación Q se mueve sobre la
curva característica, un alfa de ca se define por
1.3)
El alfa de ca se denomina formalmente el factor de amplificación de base común
en corto circuito.
Admitiendo que la ecuación (1.3) especifica que un cambio relativamente
pequeño en la corriente de colector se divide por el cambio correspondiente en IE
manteniendo constante el voltaje colector a base. Para la mayoría de las
situaciones las magnitudes de ? ca y de ? cd se encuentran bastante cercanas,
permitiendo usar la magnitud de una por otra.
Beta de componente continua (? cd??
En el modo de continuo, los valores de IC e IB se relacionan por una cantidad
denominada beta. Si despreciamos la corriente producto de los y portadores
minoritarios, podemos decir que.
???????? cd = IC / IB Pero: de 1.0) IE = (IC + IB) y de 1.2)
IC = ? ? IE
o bien,
IC = ? ? (IC + IB) es decir, IC = ? ? IC?? ?? ? IB o IC - ? ? IC?=?? ? IB,
IC ? (1- ? ??=?? ? IB,
Luego
1.5) ???? cd = IC
IB
=
? ???
(1- ? ?
De modo que:
1.6)
? ?
?
( ? ? 1)
Nota: En algunos manuales técnicos, el nombre de ? cd es reemplazado por HFE.
Se puede decir entonces que:
1.7)
1.8 )
I C ? ? ? IB
además IE =IC + IB, Entonces
IE = (? +1)* IB
Si consideramos a los portadores minoritarios, la ecuación 1.7) quedará como
IC ? ? ?? ?IB + (? +1) * ICBO
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Al igual que Alfa, existe un ? ?continuo (? cd ) y un ? alterno (? ac o Hfe). Otro
aspecto interesante de mencionar es la relación que hay entre sus terminales, en
efecto, si observamos la figura #7, podemos concluir que:
1.9)
VEB + VBC = VEC .
La ecuación 1.9 es válida tanto para transistores PNP como también para
transistores NPN, en este último caso, solo cambian los signos de los voltajes o
que es lo mismo, se cambian los
Subíndices (VBE + VCB = VCE).
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