Transistor Bipolar

Figura 1 Símbolo y tipos de transistor BJT

Internamente, el BJT se compone de tres capas de silicio, según la configuración mostrada en la Figura 2.

Figura 2 Estructura interna del transistor bipolar

Como puede apreciarse, la flecha que indica el tipo de transistor, apunta al sentido de la corriente en polarización directa del diodo BE. En principio, parece una estructura simétrica, en la que es imposible distinguir el emisor del colector. Sin embargo la función que cumple cada uno es completamente distinta, y en consecuencia, se fabrican con diferentes características. Por lo tanto no es un componente simétrico.

Un transistor tiene dos formas principales de operación: como un interruptor o como una resistencia variable.

TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR

La función del transistor como interruptor es exactamente igual que la de un dispositivo mecánico: o bien deja pasar la corriente, o bien la corta. La diferencia está en que mientras en el primero es necesario que haya algún tipo de control mecánico, en el BJT la señal de control es electrónica. En la Figura 3 se muestra la aplicación al encendido de una bombilla.

Figura 3 El transistor bipolar como interruptor de corriente

En el primer caso, bajo la señal de control adecuada, que es introducida a través de la base, el transistor se comporta como un circuito abierto entre el emisor y el colector, no existe corriente y la bombilla estará apagada. En el segundo caso, cambiando la señal de control, se cierra el circuito entre C y E, y los 12 V se aplican a la bombilla, que se enciende.

Este funcionamiento entre los estados de corte y conducción se denomina operación en conmutación. Las aplicaciones típicas de este modo de operación son la electrónica de potencia y la electrónica digital, en la que los circuitos operan con dos niveles de tensión fijos equivalentes al "1" y "0" lógicos.

Si el valor de la resistencia del potenciómetro se fija en 5 kW, la tensión de salida VOUT será de 5 V. Al aumentar esta resistencia, la salida también aumentará de valor. Por ejemplo, con 20 kW VOUT resulta ser 8 V. Modificando el valor del potenciómetro se puede obtener cualquier valor en la salida comprendido entre 0 V y 10 V, ya que:

Al igual que en el potenciómetro, en el transistor se puede ajustar su resistencia entre colector y emisor, con la diferencia de que la señal de mando no es mecánica, sino eléctrica a través de la base. Como se verá más adelante, con una pequeña señal aplicada en la base puede gobernarse el BJT, con lo que aparece un concepto nuevo: la amplificación de señales. Esta función es la base de la electrónica analógica, aquella en la que se procesan señales de tensión respetando su forma de onda temporal.

PRINCIPIO DE OPERACION

En este apartado se va a trabajar exclusivamente con el transistor NPN. No obstante, cabe señalar que los razonamientos necesarios para entender el transistor PNP son completamente análogos, por lo que se deja al lector la tarea de deducir los modelos característicos de su funcionamiento.

En la Figura 2 pueden verse las dos uniones PN del transistor: la unión Base-Emisor (BE), y la unión Base-Colector (BC). Cada una por separado constituye un diodo, pero la conjunción de ambas provoca un efecto nuevo, denominado efecto transistor. Obviamente, el estado global del transistor depende de la polarización, directa (PD) o inversa (PI), de las dos uniones.

Los casos posibles se adjuntan en la tabla siguiente:

Tabla 1 Polarizaciones en el Transistor

Los dos últimos casos, la Región Activa Normal (RAN) y la Región Activa Inversa (RAI) son conceptualmente similares. Si el transistor fuera simétrico, estaríamos ante la misma región de funcionamiento, solo que con los terminales intercambiados. Sin embargo el colector y el emisor se fabrican de forma diferente, precisamente para adaptar su funcionamiento a la RAN. Por ello no se suele trabajar en la RAI. Una vez aclarado este punto se va a analizar el funcionamiento en cada región de operación.

REGION DE CORTE

Como elemento básico para la discusión en este apartado se va a emplear el circuito de la Figura 5.

En este caso las dos uniones están polarizadas en inversa, por lo que existen zonas de deplección en torno a las uniones BE y BC. En estas zonas no hay portadores de carga móviles, por lo tanto, no puede establecerse ninguna corriente de mayoritarios. Los portadores minoritarios sí pueden atravesar las uniones polarizadas en inversa, pero dan lugar a corrientes muy débiles. Por lo tanto, un transistor en corte equivale a efectos prácticos, a un circuito abierto.

A partir de esta definición, se pueden deducir fácilmente los modelos matemático y circuital simplificados para este estado. El transistor BJT en la región de corte se resume en la Figura.

Figura 5 Modelo del BJT en corte para señales de continua

Obviamente, en estos modelos no se tiene en cuenta el efecto de las corrientes de fuga de las dos uniones, y sólo son válidos para realizar una primera aproximación al comportamiento de un circuito.

EJEMPLO 1: Calcular las tensiones VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE del circuito de la figura 6, cuando EB = 0 V.

Figura 6 Circuito del ejemplo 1

SOLUCIÓN: La base del transistor está conectada a la fuente a través de una resistencia RB. Puesto que la diferencia de potencial entre los extremos del generador es nula, no puede polarizarse la unión BE en directa, por lo que el transistor está en corte, es decir:

VBC = VBE - VCE = 0 - 10 = - 10 V

Pueden obtenerse los mismos resultados si se sustituye el transistor en el circuito por su modelo equivalente:

Figura 7 Circuito Equivalente del ejemplo 1

REGION ACTIVA NORMAL

Para facilitar el estudio y comprensión de los fenómenos que suceden cuando se polariza el transistor en RAN, se va a analizar en primer lugar el comportamiento del transistor en las situaciones descritas en la Figura 8 a) y b).

Figura 9 Transistor NPN en RAN.

Conducción a través de la unión BC

En el circuito de la Figura 9 la unión BE se polariza en directa, mientras que si EC es mayor que EB, la unión BC estará en inversa, luego no debería circular corriente a través de esta última. Lo que sucede es que el emisor (tipo N) inyecta electrones en la base (tipo P), en la que los portadores mayoritarios son los huecos, y los minoritarios son los electrones. Como se explicó anteriormente, una unión PN en inversa bloquea el paso de mayoritarios, pero no de minoritarios (que constituyen la corriente de fuga en inversa). Por lo tanto, los electrones inyectados desde el emisor a la base, atraídos por el potencial positivo aplicado al colector, pueden atravesar la unión BC, y dar origen a la corriente de colector IC. Mediante el emisor, se inunda la base de electrones, aumenta drásticamente el número de portadores minoritarios del diodo base-colector, con lo que su corriente inversa aumenta también.

Así que la primera contradicción queda resuelta. El diodo BC no conduce realmente en inversa, sino que sus corrientes de fuga se equiparan con la corriente normal gracias al aporte de electrones que provienen del emisor.

La corriente de base es muy inferior a la de colector

En este punto de la explicación surge una pregunta: ¿y por qué los electrones llegan hasta la unión BC y no se recombinan como en la Figura 8.b)?. La Figura 10 muestra la distribución de corrientes.

Figura 10 Distribución de corrientes en un transistor NPN en RAN.

Si la base es estrecha y está poco dopada, es relativamente probable que un electrón la atraviese sin encontrarse con un hueco. Típicamente, los BJT se construyen para que se recombine el 1% de los electrones. En este caso se obtiene una ganancia de corriente de 100, es decir, la corriente de base es 100 veces inferior a la del colector. Como la corriente de emisor es la suma de estas dos, es obvio que su valor es cercano al de la corriente de colector, con lo que en la práctica se consideran iguales (sólo operando en RAN).

La corriente de colector es proporcional a la corriente de base

Centrando la atención en la recombinación de los electrones en la base procedentes del emisor. Allí donde había un hueco pasa a haber, tras la recombinación, un ion negativo inmóvil. Si desaparecen los huecos de la base y se llena de iones negativos, se carga negativamente, y se repelen los electrones procedentes del emisor. En este caso se impediría la circulación de corriente, es decir, es necesario que la corriente de base reponga huecos para que haya corriente de colector.

Por tanto, por cada electrón recombinado hay que introducir un hueco nuevo que neutralice la carga negativa. Si la reposición de huecos es lenta (corriente IB pequeña), la capacidad de inyectar electrones será baja, debido a la repulsión eléctrica. Este fenómeno tiene la propiedad de ser aproximadamente lineal, con lo que se puede establecer que:

en donde es un coeficiente adimensional denominado ganancia directa de corriente, o bien ganancia estática de corriente.

En Resumen

El transistor bipolar operando en la RAN se comporta como un amplificador de corriente. La corriente débil IB se reproduce amplificada en un factor

Los modelos y condición de existencia se presentan en la Figura 11. De nuevo hay que reseñar que se trata de un modelo muy simplificado, que sólo da cuenta de los fenómenos básicos señalados anteriormente.

Figura 11 Modelo del BJT en RAN para señales de continua.

La condición de corriente de base mayor que cero se refiere a corriente entrante en el dispositivo, es decir, la corriente debe entrar por la base para que el BJT esté en RAN. Para los valores habituales de IB, la tensión VBE se sitúa en torno a los 0,7 V. Por ello, en muchas ocasiones se toma este valor para realizar un análisis aproximado de los circuitos.

EJEMPLO 2: En el circuito de la Figura 7 calcular VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE cuando EB = 5 V y cuando EB = 7 V. La ganancia de corriente del transistor es F = 100.

SOLUCIÓN: Al aplicar una diferencia de potencial positiva (> 0,7) a la base se polariza la unión BE en directa. Además, si EB, es inferior a la de la fuente conectada al colector, la tensión de colector será superior a la de la base, con lo que la unión BC estará polarizada en inversa. Se dan, por lo tanto, las condiciones necesarias para la operación en RAN, con lo que se verifica aproximadamente que:

En la tabla siguiente se adjuntan los resultados numéricos de los dos casos requeridos en el enunciado:

Tabla 2 Resultados Numéricos.

Los resultados obtenidos en el ejemplo 2 sugieren los siguientes comentarios:

a) La tensión VBC obtenida en ambos casos es negativa, lo que significa que la polarización de la unión BC es inversa. Como además la corriente de la base es positiva queda comprobado que el transistor está operando en RAN.

b) La corriente IE tiene un valor muy cercano al de IC. En la práctica, sería difícil de detectar la diferencia entre ambas mediante aparatos de medida convencionales. Por ello, en ocasiones se realiza la aproximación IC = IE.

c) Una variación de corriente en la base de tan sólo 20 A provoca una variación en la tensión VCE de 2 V. Este es el principio de la amplificación analógica de señales.

Centremos ahora la atención en la evolución de VCE. Cuando el transistor está en corte VCE = 0 V. En la RAN, a medida que aumenta EB disminuye VCE. Este resultado es lógico, puesto que IC es directamente proporcional a EB. Como VCE = EC - RCIC, al aumentar el término negativo disminuye el valor de la resta. Gráficamente puede representarse este hecho como sigue (Figura 13):

Figura 13 Evolución de las tensiones y corrientes en el ejemplo 2.

Si RC fuera una bombilla, en el caso A estaría apagada, mientras que en los casos B y C proporcionaría luz. Evidentemente, en el caso C la intensidad de la luz será mayor que en el B, puesto que la tensión aplicada es mayor. Aquí se pone de manifiesto claramente el funcionamiento del transistor como resistencia variable, ya que el comportamiento entre C y E es similar al de un potenciómetro: modificando la señal de control convenientemente podemos variar la tensión de alimentación de la bombilla entre 0 y 10 V.

REGION DE SATURACION

Supongamos que tenemos un transistor polarizado en la RAN según el circuito de la Figura 7). En la tabla de resultados del ejemplo 2 queda claro que según aumenta la tensión EB (o bien la corriente IB) el valor absoluto de la tensión VBC disminuye. Llegará un momento en el que, si IB crece lo suficiente VBC cambiará de signo y pasará a ser positiva. En ese instante, la unión BC dejará de estar polarizada en inversa, y entrará en polarización directa. La consecuencia es que el colector pierde su capacidad de recolectar electrones, y la corriente IC resulta ser inferior al valor IB.

Figura 14 Transistor BJT polarizado en la región de saturación.

Por otra parte, según se muestra en la Figura 14, al estar las dos uniones polarizadas en directa, la tensión entre el colector y el emisor en saturación será:

VCE SAT = VBE ON - VBC ON

Si los diodos BE y BC fueran idénticos, la tensión de conducción de ambos sería prácticamente igual, y entonces la tensión VCE SAT sería nula. Sin embargo, tal y como se ha comentado anteriormente, el colector y el emisor se fabrican con distintas características. Normalmente la tensión VBE ON es aproximadamente igual a 0,7 V, mientras que VBC ON se sitúa en torno a los 0,5 V. Ello conlleva una tensión cercana a 0,2 V. Dado que la tensión de codo de los diodos permanece prácticamente constante para las corrientes de operación habituales, la tensión VCE SAT es también independiente de las corrientes IB ó IC. Con ello el transistor pierde su capacidad de gobierno sobre la corriente de colector, que será controlada únicamente por el circuito externo.

Análogamente al resto de regiones de funcionamiento, también puede hallarse un modelo simplificado para realizar cálculos con un transistor polarizado en la región de saturación:

Figura 15 Modelo simplificado del BJT en saturación.

Como puede observarse, en este modelo se toma la tensión VCE SAT nula, pero podría considerarse cualquier valor sin más que incluir una fuente de tensión independiente del valor deseado entre el colector y el emisor.

EJEMPLO 3: En el circuito de la Figura 7 calcular VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE cuando EB = 15 y 20 V. La ganancia de corriente del transistor es F = 100.

SOLUCIÓN: En este caso la tensión aplicada a la base con respecto al emisor es claramente superior a la aplicada al colector. Por lo tanto el transistor está operando en la región de saturación. Sustituyendo el modelo correspondiente en el circuito original se tiene que:

Figura 16 Equivalente en Saturacion.

En la tabla siguiente se presentan los resultados numéricos para los casos indicados en el enunciado del problema:

Tabla 3 Resultados Ejercicio 3.

La corriente IC se mantiene constante en 10 mA, pese a las variaciones de IB, puesto que la tensión VCE es ahora constante. Nótese además que en ambos casos se cumple que IC es menor que el producto FIB.

Retomando de nuevo el caso en el que RC sea una bombilla, los resultados obtenidos muestran que ahora la intensidad luminosa será ahora constante, luego se ha perdido la capacidad de regular, y el dispositivo se comporta ahora como un interruptor cerrado.

A modo de recapitulación, la siguiente figura muestra la evolución global de IC con respecto a EB, donde se puede apreciar el paso del transistor por las tres regiones de operación.

Figura 17 Gráfica EB frente a IC .

CURVAS CARACTERÍSTICAS. PUNTO DE OPERACIÓN

Al ser el transistor bipolar un dispositivo triterminal son necesarios seis parámetros para determinar el estado eléctrico del mismo: tres tensiones y tres corrientes. Aplicando las leyes básicas de resolución de circuitos pueden presentarse dos ecuaciones:

Por ello, los parámetros independientes se reducen a cuatro. En un circuito determinado y bajo la acción de unas excitaciones concretas, existirán unos valores de estos cuatro parámetros que caracterizan por completo el estado del transistor. Dicho cuarteto se denomina punto de operación (Q).

Las curvas características más empleadas en la práctica son las que relacionan VBE con IB y VCE con IC e IB. Con frecuencia, estas curvas son facilitadas por los fabricantes.

CARACTERÍSTICA VBE-IB

La función que liga VBE con IB es la característica de un diodo, y puede aplicarse todo lo dicho cuando se estudió aquél.

Figura 19 Característica VCE -IC ideal.

Idealmente, en la RAN la corriente de colector depende exclusivamente de la de base, a través de la relación

la representación estará formada por rectas horizontales (independientes de VCE) para los diversos valores de IB (en este caso se ha representado el ejemplo para BF = 100). Evidentemente, no se dibujan más que unos valores de IB para no emborronar el gráfico. Para IB = 0, la corriente de colector también debe ser nula. La región de corte está representada por el eje de abscisas. Por contra, para VCE = 0 el transistor entra en saturación, luego esta región queda representada por el eje de ordenadas.

Hasta aquí se presenta la característica ideal, pero como era de esperar, la realidad es un poco más compleja (Figura 20):