INTRODUCCIÓN.

CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR BIPOLAR DE UNION (BJT).

El transistor es un dispositivo que ha originado una evolución en el campo electrónico.

En el año 1947 la industria de la electrónica experimentó la llegada de un campo completamente nuevo en el interés y en el desarrollo al demostrarse la acción amplificadora del primer transistor en los laboratorios Bell Telephone (USA).

Las ventajas de este dispositivo de estado sólido de tres terminales se manifestaron de inmediato: su pequeño tamaño, ligero peso, no requerir de calentamiento o disipación de calor lo que ofrece una disponibilidad inmediata de uso, su construcción resistente, su eficacia debido a que absorbe poca potencia y su capacidad de conseguir menores voltajes de operación.

El impacto del transistor en la electrónica ha sido enorme, pues además de iniciar la industria multimillonaria de los semiconductores, ha sido el precursor de otros inventos como son los circuitos integrados, los dispositivos optoelectrónicos y los microprocesadores. Actualmente, casi todo equipo electrónico utiliza dispositivos semiconductores. Los cambios han sido más notables en la industria de las computadoras.

Un transistor puede considerarse formado por dos diodos semiconductores con una zona común. En un transistor existen, por consiguiente, tres terminales. La zona común se denomina base y las dos zonas exteriores en contacto con la base son el emisor y el colector.

Para que el transistor funcione correctamente, la unión correspondiente al diodo emisor-base debe polarizarse en sentido directo, mientras que la unión correspondiente al colector-base ha de estar polarizada en sentido inverso.

Si se conecta únicamente el circuito emisor-base con polarización directa, se establece una circulación eléctrica desde el emisor a la base a través de la unión. Desconectando la alimentación en el circuito emisor-base y comunicando el conector-base con polarización en sentido inverso se establecerá una corriente entre el emisor y el colector. Dicha corriente está determinada por la tensión positiva del emisor y la negativa del colector, siempre con relación a la base.

La característica del transistor en virtud de la cual, al vaciar la tensión del emisor, se pueden obtener variaciones en la corriente del colector, comporta que pueda comparársele con una válvula termoiónica. El emisor, la base y el colector del transistor pueden identificarse con el cátodo, rejilla y ánodo de tríodo, respectivamente.

El factor de amplificación de corriente de un transistor es la relación entre la corriente de colector y la del emisor.

El transistor puede ser de tipo bipolar o de tipo unipolar.

En este tema se introducen las principales características básicas del transistor bipolar y se estudian los modelos básicos de estos dispositivos y su utilización en el análisis los circuitos de polarización.

TRANSISTOR.

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de ya sea 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 denomina transistor npn mientras que al segundo transistor pnp. El transistor cumple funciones de amplificador, oscilador y rectificador. El término transistor es la contracción en inglés de transfer resistor (resistencia de transferencia).

El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas que forman dos uniones bipolares: el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta, y la base que está intercalada entre las dos primeras y modula el paso de dichos portadores.

El flujo de electrones se da mayoritariamente de emisor a colector.

El transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo.

En el campo de operación del transistor, la magnitud de la corriente de base típicamente se encuentra en el orden de microamperios mientras que las corrientes del emisor y del colector se encuentran en el orden de los miliamperios.

La corriente del emisor es la suma de la corriente del colector y de la base (I E = IC + IB). La notación es la siguiente:

Figura 1. Representación del transistor tipo npn.

Las flechas en la figura 1 definen la dirección de las corrientes a través del dispositivo.

La principal diferencia visual en este tipo de representación entre un transistor npn y un transistor pnp es la dirección de la flecha entre emisor y base (base → emisor = npn, mientras que base ← emisor = pnp).

El transistor posee tres alternativas de configuración:

a) Configuración de base común.

La terminología relativa a base común se desprende del hecho de que la base es común a los lados de entrada y salida de la configuración. Además, la base es usualmente la terminal más cercana o en un potencial de tierra. Las direcciones de corriente se refieren a la convencional (flujo de huecos) en vez de la correspondiente al flujo de electrones.

Figura 2. Notación y símbolos en la configuración de base común.

Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres terminales se requiere de dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada o punto de manejo y el otro para el lado de salida. El conjunto de entrada de base común como se muestra en la figura 2 relacionará una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).

Figura 3. Características del punto de excitación para un transistor de base común.

El conjunto de salida relacionará una corriente de salida (IC) con un voltaje de salida VCB para diversos niveles de corriente de entrada (IE), como se ilustra en la figura 3. El conjunto de características de salida o colector tiene tres regiones básicas de interés, como se indican en la figura 4: las regiones Activa, de Corte y de Saturación.

La región activa es la región empleada normalmente para amplificadores lineales (sin distorsión). En particular: en la región activa la unión colector-base está inversamente polarizada, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa.

La región activa se define por los arreglos de polarización de la figura 2. En el extremo más bajo de la región activa la corriente de emisor (IE) es cero, la corriente de colector es simplemente la debida a la corriente inversa de saturación ICO, como se indica en la figura 4. La

corriente ICO es tan pequeña (del orden de microamperios) en magnitud comparada con la escala vertical de IC (del orden de los miliamperios), que aparece virtualmente sobre la misma línea horizontal que IC = 0.

Figura 4. Características de salida del colector para un amplificador de base común.

Nótese en la figura 4, que conforme la corriente del emisor aumenta sobre cero, la corriente del colector aumenta a una magnitud esencialmente igual a la corriente del emisor determinada por las relaciones básicas del transistor-corriente. Adviértase también el efecto de VCB sobre la corriente del colector para la región activa. Las curvas indican claramente que una primera aproximación a la relación entre IE e IC en la región activa es: IC » IE.

La región de corte se define como aquella región donde la corriente de colector es de 0 amperios. En la región de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor están inversamente polarizadas.

La región de saturación se define como la región de las características a la izquierda de VCB = 0 V. Nótese en la figura 4 el incremento exponencial en la corriente de colector a medida que el voltaje VCB se incrementa más allá de los 0 V. En la región de saturación las uniones colector-base y base-emisor están polarizadas directamente.

Las características de entrada de la figura 3 muestran que para valores fijos de voltaje de colector (VCB), a medida que el voltaje de base a emisor aumenta, la corriente de emisor se incrementa de una manera que se asemeja mucho a las características del diodo. De hecho, los niveles de aumento de VCB tienen un efecto tan insignificante sobre las características que, como una primera aproximación, la variación debida a los cambios en VCB puede ignorarse y se dibujan las características como se ilustra en la figura 5.

Figura 5. Modelo del diodo Base-Emisor.

Una vez que el transistor está en el estado "encendido" o de conducción, se supondrá que el voltaje de base a emisor será el siguiente: VBE = 0.7 V.

En el modo de CD los niveles de IC e IE debidos a los portadores mayoritarios están relacionados por una cantidad denominada alfa y que se define por medio de la siguiente ecuación:

α CD = IC / IE.

Donde IC e IE son los niveles de corriente al punto de operación. Aun cuando las características de la figura 4 parecen sugerir que α = 1, para dispositivos prácticos el nivel de alfa se extiende típicamente de 0.90 a 0.998, aproximándose la mayor parte al extremo superior del intervalo. Ya que alfa se define únicamente por los portadores mayoritarios, la ecuación se convierte en I C

= α IE + ICBO. Esta ecuación 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 α CA y de α CD se encuentran bastante cercanas, permitiendo usar la magnitud de una por otra.

La polarización adecuada de la base común puede determinarse rápidamente empleando la aproximación IC ≈ IE y suponiendo que IB = 0 µA.

b) Configuración emisor común.

Figura 6. Símbolo y notación del transistor NPN en configuración de emisor común.

Se denomina configuración de emisor común porque el emisor es común tanto a las terminales de entrada como a las de salida. Las corrientes del emisor, colector y la base se muestran en su dirección de corriente convencional real. Aun cuando la configuración del transistor ha cambiado, siguen siendo aplicables las relaciones de corrientes desarrolladas antes para la configuración de base común.

De nuevo se necesitan dos conjuntos de características para describir en forma completa el comportamiento de la configuración de emisor común: una para la entrada o circuito de la base y una para la salida o circuito del colector.

En la configuración de emisor común las características de la salida serán una gráfica de la corriente de salida (IC) versus el voltaje de salida (VCE) para un rango de valores de la corriente de entrada (IB).

Figura 7. Características de salida de un transistor en la configuración de emisor común.

La región activa en la configuración de emisor común es aquella parte del cuadrante superior derecho que tiene la linealidad mayor, esto es, la región en la que las curvas correspondientes a IB son casi líneas rectas y se encuentran igualmente espaciadas. En la figura 7 esta región se localiza a la derecha de la línea sombreada vertical en VCEsat por encima de la curva para IB igual a cero. La región a la izquierda de VCEsat se denomina región de saturación. En la región activa de un amplificador emisor común la unión colector-base está polarizada inversamente, en tanto que la unión base-emisor está polarizada directamente.

La región de corte en la configuración de emisor común no está tan bien definida como en la configuración de base común. En las características de colector IC no es igual a cero cuando IB

= 0. En la configuración de base común, cuando la corriente de entrada IE = 0, la corriente de colector fue sólo igual a la corriente de saturación inversa ICO, por lo que la curva IE = 0.

Las características de la entrada son una gráfica de la corriente de entrada (IB) versus el voltaje de entrada (VBE) para un rango de valores del voltaje de salida (VCE).

Figura 8. Características de entrada de un transistor en la configuración de emisor común.

Tomando en consideración lo anterior se tiene:

Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión) el corte para la configuración de emisor común se determinará mediante IC = ICEO.

Para la configuración de base común que el conjunto de características de entrada se aproximó por una línea recta equivalente que resultó en VBE = 0.7 V para cualquier nivel de IE mayor de 0 mA. Para la configuración de emisor común puede tomarse la misma aproximación.

En el modo de CD los niveles de IC e IB se relacionan por una cantidad denominada beta y definida por la siguiente ecuación: β CD = IC / IB. El nombre formal para la β CA es factor de amplificación de corriente directa de emisor común.

Aunque no son exactamente iguales, los niveles de β CA y de β CD están por lo general razonablemente cercanos y con frecuencia se utilizan en forma intercambiable.

Se puede desarrollar una relación entre β y α empleando las relaciones básicas presentadas con anterioridad de modo que

Beta es un parámetro particularmente importante porque proporciona un enlace directo entre niveles de corriente de los circuitos de entrada y salida para una configuración de emisor común. Además está presente en IC ≈ β IB y IC = (β + 1) IB.

c) Configuración colector común.

La configuración colector común se utiliza principalmente para propósito de acoplamiento de impedancias, ya que cuenta con una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, de forma contraria a las impedancias de las configuraciones de base común y a las de emisor común.

Caracterizado por:

a) No requiere trabajar en el área de saturación para un amplificador.

b) No se quiere trabajar a una corriente menor que la requerida ya que ocasiona señal con ruido.

c) Nivel máximo de disipación se define por Pcmax = VCEIC.

TRANSISTOR BJT.

El transistor de unión bipolar, o BJT (del inglés Bipolar Junction Transistor), se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores.

Es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) una cantidad mayor a ésta, en un factor (β) que se llama amplificación y que es un dato propio de cada transistor.

El nivel de operación de DC de un transistor es controlado por diversos factores, que incluyen al rango de posibles puntos de operación sobre las características del dispositivo. No obstante, existe una similitud común entre el análisis de cada configuración debido a la recurrente utilización de las siguientes relaciones básicas para un transistor y que son muy importantes:

• VBE = 0.7 V.

• IE = (β + 1) IB ≈ IC.

• IC = β IB.

Para los amplificadores a transistor, la corriente de DC y el voltaje resultantes establecen un puto de operación sobre las características que define la región que será empleada para la amplificación. Debido a que el punto de operación es un punto fijo sobre de las características, se le denomina también como punto de reposo.

El circuito de polarización puede diseñarse para establecer la operación del dispositivo dentro de la región activa, si bien el BJT puede encontrarse polarizado para operar fuera de estos límites, el resultado sería el recorte de la vida útil del dispositivo.

Existe otro factor de polarización muy importante que debe ser considerado. Una vez que se seleccionó y se polarizó el BJT en un punto de operación, el efecto de la temperatura causa que los parámetros del dispositivo, como la ganancia de corriente del transistor, se modifiquen.

El transistor BJT posee diferentes alternativas de polarización:

a) Circuito de polarización fija.

E

CB

RCRB

Vcc

Vi

Vo

Figura 9. Circuito de polarización fija.

Donde:

Vi = señal de entrada, VO = señal de salida.

B = base, E = emisor y C = colector.

RB = resistencia de base y RC = resistencia de colector.

Considerando principalmente la malla del circuito base−emisor y al resolver la ecuación de voltaje de Kirchhoff se obtiene el siguiente resultado:

• IB = (VCC – VBE) / RB.

De la malla colector−emisor se obtiene:

• IC = β*IB.

• VCE = VCC – IC * RC.

• VCE = VC.

• VBE = VB = 0.7 V.

• ICsat = VCC / RC.

b) Circuito de polarización estabilizado en emisor.

E

CB

RCRB

Vcc

Vi

Vo

RE

Figura 10. Circuito de polarización estabilizado en emisor.

Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff en la malla base−emisor se obtiene el siguiente resultado: IB = (VCC − VBE) / (β+1)*(RE+RB).

De la malla emisor−colector se obtienen los siguientes resultados:

• IC = (VCC – VCE) / (RE + RC).

• VCE = VCC – IC (RC + RE).

• VC = VCE + VE.

• VE = IE * RE → VE = IC * RC.

• VC = VCC – IC * RC.

• VB = VCC – IB * RB.

• ICsat = VCC / (RC + RE).

c) Circuito de polarización por división de voltaje.

E

CB

RC

Vcc

Vi

Vo

RE

R1

R2

Figura 11. Circuito de polarización por división de voltaje.

Se tienen dos herramientas para el análisis de la polarización por división de voltaje, el análisis exacto y el análisis aproximado.

En el análisis exacto por medio de Thevenin se encuentra una Requiv: R1 en paralelo con R2, y como es visible en el circuito tomando RE como la resistencia de carga (salida), el voltaje de Thevenin = VR2. La resistencia reflejada entre la base y el emisor se define como (β+1) RE.

Con lo anterior se obtiene:

• IB = (VTH − VBE) / (RTH + (β+1) RE).

• VTH = (R2VCC) / (R1+R2).

• VCE = VCC – IC (RC+RE).

Una vez que se obtiene IB los resultados para las cantidades restantes pueden averiguarse de la misma forma empleada en la polarización estabilizada en emisor.

En el análisis aproximado R1 y R2 están consideradas en serie y el voltaje en R2 es el voltaje en la base. La condición para aplicar este método es que βRE ≥10R2.

Se obtienen los siguientes resultados:

• VB = (R2VCC) / (R1+R2).

• VE = VB – VBE.

• IE = VE/RE → IC = IE.

• VCE = VCC – IC (RC+RE).