El transistor bipolar

El transistor es un dispositivo semiconductor que tiene la propiedad de poder gobernar a voluntad la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales, emisor y colector, a través de la acción de una pequeña corriente aplicada al tercer terminal, la base.

Este comportamiento equivale a una amplificacion de corriente gracias a la acción de una débil intensidad que puede tener cualquier forma de variación en el tiempo; se logra obtener la misma forma de onda sobre una corriente mayor.

Semejante proceso facilita la transformación de una señal muy débil en otra lo suficientemente fuerte como para ser capaz de producir un efecto perceptible.

El transistor fue desarrollado por Shockley en el año 1948, como resultado de los estudios previos de Bardeen y Brattain sobre fenómenos eléctricos en la superficie de los semiconductores.

Su denominación deriva de los dos términos que describen su aplicación más inmediata: TRANsfer reSISTOR o transferencia de resistencia.

Clasificación de los transistores

Clasificación de los transistores

Clasificación de los transistores

En el capítulo de transistores caben diversas categorías de componentes diferenciadas, en primera instancia, por su naturaleza de dispositivos unipolares o bipolares:
Transistores unipolares: operan con corrientes originadas por un solo tipo de portadores, huecos o electrones.
Atendiendo a su tecnología, características y propiedades físicas esenciales, se
distingue entre varios tipos de transistores unipolares. Los más relevantes son los
que siguen:
– Transistores FET.
– Transistores MOS.
– Transistores VMOS.
– Transistores Uniunión (UJT).

Transistores bipolares: operan con corrientes originadas por el efecto aditivo de los dos tipos de portadores de carga: huecos y electrones.

Fundamentos del transistor bipolar

Los fundamentos del transistor bipolar arrancan de los conceptos estudiados en el capítulo dedicado al diodo semiconductor.

A diferencia con éste, el transistor dispone de dos uniones semiconductoras creadas entre dos porciones extremas de semiconductor del mismo tipo (P o N), separadas por una estrecha zona central de semiconductor de tipo contrario (N o P).

Las tres secciones constitutivas del transistor se denominan:
– Colector (C).
– Base (B).
– Emisor (E).
Atendiendo a la disposición de las zonas semiconductoras, P y N, que constituyen el transistor, cabe distinguir entre:
* Transistores NPN: las dos zonas extremas son de tipo N, mientras que la central
es de tipo P.
* Transistores PNP: Las dos zonas extremas son de tipo P, mientras que la central es de tipo N.

Base (estrecha y poco dopada)

Base (estrecha y poco dopada)

En cualquier caso, la superficie de contacto entre colector y base es mucho mayor que la zona de unión entre emisor y base.

Además, la zona de colector tiene una superficie netamente superior a la de emisor.

El transistor puede considerarse como un conjunto de varias resistencias no lineales cuyos valores varían en función de las tensiones aplicadas, polaridades, temperaturas y otros parámetros.

Transistores PNP

En los transistores PNP el emisor es positivo con respecto a la base y al colector. Su estructura, según muestra la figura, consta de dos uniones semiconductoras:
de tipo PN entre el emisor y la base, y de tipo NP entre la base y el colector.

Al conectar una fuente de tensión de corriente continua entre emisor y colector, sea cual fuere la polaridad aplicada, no se registraría más que el paso de una pequeña corriente inversa. El motivo reside en la consideración del transistor como la asociación de un par de diodos y, en tales condiciones, uno de ellos estaría siempre bloqueado por efecto de su polarización inversa.

Transistores PNP

Transistores PNP

Para lograr el funcionamiento del transistor PNP debe conectarse una fuente de CC polarizando directamente la unión emisor-base.

Al establecer el circuito que ilustra la figura anterior, las cargas positivas del emisor repelerán a los huecos de dicha zona hacia la unión con la base. Al tiempo, los electrones de la base se verán empujados hacia la zona de unión con el emisor, originándose un proceso de recombinación. Como consecuencia se establecerá una corriente entre el emisor y la base.

Los electrones de la base, al recombinarse en la unión con los huecos del emisor, evitarán el paso de estos últimos hacia el colector.

Dado que la zona correspondiente a la base es muy tenue y su contenido en portadores mayoritarios de carga es bajo-debido a su escaso dopado-, pronto dejarán de existir portadores mayoritarios de carga en la base. En ese instante los huecos del emisor no recombinados proseguirán su recorrido difundiéndose hacia el colector. Por lo tanto, se establecerá una gran intensidad de corriente entre
emisor y colector.

Transistores NPN

Suelen estar construidos a partir de un cristal de silicio dopado inicialmente con impurezas de tipo P. Por métodos de difusión, se dopan seguidamente las zonas laterales con impurezas de tipo N.
Su funcionamiento obedece a un proceso semejante al escrito en el caso del transistor PNP. Si bien, en este caso, es preciso que el emisor sea negativo con respecto a base y colector.

Inicialmente se establece una corriente entre base y emisor que barre los portadores mayoritarios de carga de la base. Acto seguido, los electrones del emisor no recombinados se ven acelerados originándose una fuerte intensidad entre colector y emisor.

Transistores NPN

Transistores NPN

Una pequeña variación de la intensidad de base (IB) determina una fuerte variación de la corriente de colector, ya que barre más portadores mayoritarios de carga. La relación entre ambas variaciones caracteriza la amplificación de corriente del transistor.

Un transistor es esencialmente un amplificador de corriente. En efecto, una variación de la tensión entre base y emisor determina una variación de IB. Y esta última provoca una variación aún más acentuada de Ic. Si se intercala una resistencia de carga en el circuito del colector, pueden recogerse entre ella las variaciones de tensión amplificadas.

Corrientes y tensiones en zona activa

* Nomenclatura de tensiones e intensidades
La siguiente figura ilustra las tensiones e intensidades a considerar en los transistores tanto de tipo PNP como NPN.
IE = intensidad de emisor.
IB = intensidad de base.
Ic = intensidad de colector.
VCB = tensión colector-base.
VEB = tensión emisor-base.
VCE = tensión colector-emisor.
* Zona activa: régimen en el que el transistor es capaz de funcionar prestando sus servicios como amplificador de magnitudes eléctricas.
El transistor está trabajando en zona activa cuando:
– La unión E-B está polarizada en modo directo; y
– La unión C-B está polarizada en modo inverso.

Variaciones de intensidad en transistores

Regiones de funcionamiento del transistor

Atendiendo a la polaridad de las tensiones emisor-base (VEB) y colector-base aplicadas al transistor, éste se sitúa en una de sus cuatro posibles regiones de funcionamiento.

Dichas regiones se detallan a continuación, particularizando su emplazamiento para el caso de los transistores de tipo PNP y NPN.

En las zonas centrales no están definidas perfectamente las uniones. Dicha zona tiene un radio de 0,2 Voltios en el caso del germanio y de 0,6 Voltios si el semiconductor utilizado es el silicio.

Corrientes y tensiones en zona activa

* Región de CORTE
– Unión EB en polarización inversa.
– Unión CB en polarización inversa,
En la región de corte IE e IC no dependen de las tensiones y su valor es despreciable. Como primera aproximación puede considerarse que en dicha región el transistor se comporta como un circuito abierto entre sus terminales,

* Región ACTIVA
– Unión EB en polarización directa.
– Unión CB en polarización inversa.
Constituye la zona habitual de trabajo del transistor, en la que es posible explotar sus facultades de dispositivo amplificador de corriente eléctrica.

* Región de SATURACION
– Unión EB en polarización directa.
– Unión CB en polarización directa.
Ambas uniones están polarizadas en modo directo; por lo tanto, las corrientes IE, IB e IC serán grandes. El circuito equivalente en primera aproximación del transistor operando en zona de saturación es un cortocircuito.

* Región INVERSA
– Unión EB en polarización inversa.
– Unión CB en polarización directa.
El comportamiento del transistor es semejante al que evidencia en zona activa, aunque permutando las funciones del colector y emisor.

Regiones de funcionamiento del transistor

Regiones de funcionamiento del transistor

Transistores reales

Hasta ahora se ha realizado un estudio puramente teórico del transistor. En la práctica, el comportamiento del mismo se ve afectado por una serie de factores no contemplados en el modelo teórico.

Las variaciones existentes entre el modelo teórico y el transistor real son introducidas fundamentalmente por los siguientes fenómenos:

* Modulación de la anchura de la base. Efecto Early
Al polarizar un diodo en sentido inverso su zona de transición se ensancha, debido a la atracción respectiva que ejercen los polos de la batería de polarización sobre las cargas móviles de las zonas n y p. En consecuencia, al variar la polarización de las uniones base-colector y base-emisor, las respectivas uniones se estrecharán o ensancharán en consecuencia.

La disminución de la anchura de la base viene determinada por el ensanchamiento de la zona de transición de las uniones que efectuarán una compresión sobre la base. Puede llegarse al caso extremo de que la base desaparezca por completo, convirtiéndose el transistor en un virtual cortocircuito.

* Fenómeno avalancha
Tiene lugar en las uniones polarizadas inversamente. Cuando la tensión inversa en la unión sobrepase los niveles establecidos, se originarán los efectos de avalancha y túnel estudiados en el caso de los diodos.

De originarse estos fenómenos, se diluirá el funcionamiento normal del transistor.

* Resistencia de base
La tensión de polarización exterior de la unión emisor-base no coincide exactamente con el valor de VEB medido en los límites de la unión. Ello se debe a la resistencia eléctrica que presenta el semiconductor que constituye la base.

En el emisor puede considerarse que no aparece resistencia alguna, debido a su alto grado de dopado. Sin embargo, el dopado de la base es menor y motiva la presencia de un factor resistivo que altera el valor de VEB. El error introducido por dicha resistencia respecto a los cálculos realizados con el modelo teórico de transistor puede ser muy notable.

* Efectividad del emisor
En el estudio teórico no se considera la recombinación que puede tener lugar en las zonas de transición. Dicha recombinación depende directamente de la anchura de la zona de transición, y ésta, a su vez, de la polarización inversa que reciba.

Curvas características del transistor bipolar

La curva característica del diodo se construía representando la relación: ID = f (VD)
En el caso del transistor son seis las variables a considerar; variables que aparecen relacionadas en las siguientes ecuaciones:
IC + IE + IB = O
VCB – VCE – VEB = 0
Por medio de las referidas ecuaciones, es posible reducir el número de variables a cuatro. Para representarlas en el plano se recurre normalmente a dos familias de curvas, tomando en cada caso los parámetros que se estimen oportunos. Por ejemplo:

Curvas características del transistor bipolar

Curvas características del transistor bipolar

* Curvas de SALIDA
Función a representar: Is = f x (Vs)
Parámetro: Ie.
* Curvas de ENTRADA
Función a representar: Ie = f x (Ve).
Parámetro: Vs.
Observando el modelo de transistor que aparece en la siguiente figura, es evidente que pueden representarse varias familias de curvas características, según se considere que el terminal común coincide con la base, colector o emisor.

Dado que el montaje del transistor en colector común apenas se utiliza, no se considerará esta configuración. Entre las dos restantes se elegirá como más ilustrativa la correspondiente a emisor común. Esta es la más frecuente, puesto que en ella el transistor se comporta como un verdadero amplificador de corriente.

Características del transistor en emisor común

* Configuración (transistor PNP)
* Curvas de SALIDA
Función representada: Ic = f x (Vce).
Parámetro: IB
Las diferencias que aparecen entre las curvas teóricas y reales tienen su origen en los factores apuntados en un apartado precedente: efecto Early, efectividad del emisor, resistencia de base y fenómenos avalancha y túnel.
* Zonas de funcionamiento (ver curvas reales del transistor)
I. Zona activa.
II. Zona de ruptura.
III. Zona de gran disipación.
IV. Zona de saturación.
V. Zona de corte.
* Curvas de ENTRADA
Función representada: IB = f x (VEB)
Parámetro: VCE
En ambos casos-teórico y real-se representa la curva tipo para VCE = -1.

Curvas teóricas y curvas reales en transistores electrónicos

Curvas teóricas y curvas reales en transistores electrónicos

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