TRANSISTORES BIPOLARES DE UNION

Introducción (Reseña histórica)

En 1949, Walter Houser Brattain, John Bardeen y William Bradford Shockley, científicos de la “Bell Telephone Laboratories”, iniciaron una revolución en la electrónica con la invención del transistor. En 1956 recibieron el premio Nóbel de Física por su trabajo.

Tipos de Transistores

El transistor es un dispositivo electrónico de estado sólido de gran uso tanto en la electrónica analógica (amplificador) como en la digital (conmutador).

Hay distintos tipos:

BJT= BiJunction Transistor (Transistor de unión o bipolar)

JFET=Junction Field Effect Transistor (Transistor de efecto de campo)

MOSFET= Metal Oxide Semiconductor Field Effect

TRANSISTOR BIPOLAR

El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales -emisor, colector y base- puede ser de dos tipos: NPN y PNP. La forma de distinguir un transistor de tipo NPN de un PNP es observando la flecha del terminal de emisor. En un NPN esta flecha apunta hacia fuera del transistor; en un PNP la flecha apunta hacia dentro. Además, en funcionamiento normal, dicha flecha indica el sentido de la corriente que circula por el emisor del transistor.

Estructura física

El transistor bipolar es un dispositivo formado por tres regiones semiconductoras, entre las cuales se forman unas uniones (uniones PN). Para el análisis de un transistor bipolar, se debe cumplir siempre que el dopaje de las regiones sea alterno, es decir, si el emisor es tipo P, entonces la base será tipo N y el colector tipo P. Esta estructura da lugar a un transistor bipolar tipo PNP. Si el emisor es tipo N, entonces la base será P y el colector N, dando lugar a un transistor bipolar tipo NPN.

El transistor se fabrica sobre un substrato de silicio, en el cual se difunden impurezas1, de forma que se obtengan las tres regiones antes mencionadas. El Aspecto bipolar real, de los que se encuentran en cualquier circuito integrado podemos describir de la siguiente manera: sobre una base n (substrato que actúa como colector), se difunden regiones p y n+, en las que se ponen los contactos de emisor y base.

Las dimensiones reales del dispositivo son muy importantes para el correcto funcionamiento del mismo.

• El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p+). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.

• La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector, como veremos más adelante. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.

• El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor.

Configuraciones del transistor

Al analizar el transistor hay 4 variables importantes, que dependen el tipo de conexión: Vsalida, V entrada, I salida, I entrada

FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR

El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar un gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.

Corrientes y tensiones

Para el análisis de las distintas corrientes que aparecen en un transistor considerar un transistor de tipo PNP, polarizado de la siguiente manera:

Este tipo de polarización será el usado cuando el transistor trabaje en región activa, como se verá en los siguientes apartados. La unión emisor-base queda polarizada como una unión en directa, y la unión colector-base como una unión en inversa.

Las principales corrientes (de electrones y huecos) que aparecen en el transistor tras aplicar la polarización indicada anteriormente. Podemos observar en la siguiente figura:

- Entre el emisor y la base aparece una corriente (IEp + IEn) debido a que la unión está en directa.

- El efecto transistor provoca que la mayor parte de la corriente anterior NO circule por la base, sino que siga hacia el emisor (ICp)

- Entre el colector y la base circula una corriente mínima por estar polarizada en inversa (ICn más una parte ínfima de ICp)

- Por la base realmente circula una pequeña corriente del emisor, más otra de colector, más la corriente de recombinación de base (IEn+ICn+IBr)

A partir de lo anterior podemos obtener algunas ecuaciones básicas como son las siguientes:

Esta ecuación viene impuesta por la propia estructura del circuito, es decir, el transistor es un nodo con tres entradas o salidas, por tanto la suma de las corrientes que entran o salen al mismo ha de ser cero.

Cada una de las corrientes del transistor se puede poner en función de sus componentes de la siguiente forma:

Relaciones más importantes. Parámetros α y β

En un transistor bipolar uno de los aspectos más interesantes para su análisis y uso es el conocer las relaciones existentes entre sus tres corrientes (IE, IB e IC). En la ecuación I tenemos una primera relación. Otras relaciones se pueden obtener definiendo una serie de parámetros dependientes de la estructura del propio transistor.

Definimos los parámetros α y β (de continua) como la relación existente entre la corriente de colector y la de emisor, o la de emisor y la de base, es decir:

Operando podemos relacionar ambos parámetros de la siguiente forma:

En general el parámetro α será muy próximo a la unidad1 (la corriente de emisor será similar a la de colector) y el parámetro β tendrá un valor elevado (normalmente > 100).

A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener una más que es útil cuando se trabaja con pequeñas corrientes de polarización, en las que el efecto de la corriente inversa que circula entre colector y base puede no ser despreciable:

Funcionamiento cualitativo del transistor

En función de las tensiones que se apliquen a cada uno de los tres terminales del transistor bipolar podemos conseguir que éste entre en una región u otra de funcionamiento. Por regiones de funcionamiento entendemos valores de corrientes y tensiones en el transistor, que cumplen unas relaciones determinadas dependiendo de la región en la que se encuentre.

Regiones de funcionamiento

Corte

Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE <>

Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que VBE=0.

Activa

La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector-base en inversa.

En general:

Saturación

En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:

donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente).

Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: IC= β ⋅IB

CURVAS CARACTERÍSTICAS

Entendemos por curvas características de un transistor la representación gráfica de las relaciones entre sus corrientes y tensiones. Esta información es muy útil para el diseñador a la hora de elegir uno u otro transistor para un circuito, pues permite tanto observar todas las características del mismo, como realizar el diseño en sí.

Curvas características en emisor común

Como ejemplo se describen aquí las curvas características de salida en la configuración de emisor común1 por ser la más utilizada en la práctica.

Las curvas características indicadas, representan el eje Y la corriente de colector (IC), en el eje X la tensión colector-emisor (VCE), y se dibuja una curva para cada uno de los valores de la corriente de base (IB) que se consideren, por ejemplo en la figura se toma el intervalo de 10 a 70 μA.

A partir de estas curvas es posible determinar el punto de trabajo del transistor, es decir, las tensiones y corrientes del mismo, una vez polarizado.

Identificación de las regiones de funcionamiento en las curvas características

Es posible identificar las distintas regiones de funcionamiento de un transistor bipolar en sus curvas características. En la figura 15 se muestran las curvas características en emisor común con la indicación de cada una de las regiones de funcionamiento. Atendiendo a la definición dada de regiones de funcionamiento se identifican de la siguiente forma:

- Región de corte. Cuando no circula corriente por el emisor del transistor, lo cual se puede aproximar como la no circulación de corriente por el colector y la base, luego la zona corresponde a corriente IB=IE=IC=01.

- Región de saturación. En esta región se verifica que la tensión colector-emisor es muy pequeña (VCE ≤ 0,2V, zona próxima al eje de coordenadas).

- Región activa. El resto del primer cuadrante corresponde a la región activa

Encapsulado de Transistores

Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados Base, Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor pueden estar distribuidos de varias formas.

Los transistores están encapsulados de diferentes formas y tamaños, dependiendo de la función que vayan a desempeñar. Hay varios encapsulados estándar y cada encapsulado tiene una asignación de terminales que puede consultarse en un catálogo general de transistores. Independientemente de la cápsula que tengan, todos los transistores tienen impreso sobre su cuerpo sus datos, es decir, la referencia que indica el modelo de transistor.

Cápsula TO-3. Se utiliza para transistores de gran potencia, que siempre suelen llevar un radiador de aluminio que ayuda a disipar la potencia que se genera, el chasis del transistor, los otros terminales no están a la misma distancia de los dos agujeros.