Transistores de unión bipolar BJT

Juan Carlos G 2020-01-07
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Transistores de unión bipolar BJT


¿Cómo funcionan los transistores?

He decidido crear una serie de artículos donde explicaré ¿Qué son los transistores de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo (JFET)? y como es su comportamiento en corriente alterna y directa. Ademas, estaré subiendo temas relacionados a este increíble semiconductor de tres terminales que llego a revolucionar la tecnología a finales de los años 40’s. No te puedes perder esta “Guía definitiva de Transistores” que estoy seguro será un excelente complemento para tus cursos de electrónica, no olvides compartir en tus redes para ayudar a la página.

 

 

¿Qué son los Transistores?

Los transistores de unión bipolar BJT (Bipolar Junction Transitor) son dispositivos electrónicos controlados por corriente y forman parte de la familia de los semiconductores de tres terminales que están construidos a partir de materiales semiconductores tipo p y tipo n.

Esto significa que podemos encontrar transistores construidos de dos maneras diferentes:

  • Con dos capas tipo p y una capa tipo n
  • O dos capas tipo n y una capa tipo p,

Tal vez esto sea un poco extraño, pero más adelante comprenderás porque construir un transistor de esta manera y las aplicaciones que tiene cada uno.

 

Construcción de un Transistor

Un Transistor de unión bipolar está compuesto por la unión de 2 materiales semiconductores tipo n y tipo p en 3 capas de nominadas Capa del Emisor, Capa de Base y Capa de Colectoral igual que otros semiconductores como el diodo o los LED, en los Transistores los materiales semiconductores son dopados con la intención de mejorar sus propiedades y llevarlos al estado para lo cual serán utilizados en la práctica, así que veamos que son los materiales semiconductores tipo n y tipo p:

  • Materiales tipo n, la creación de este tipo de material se lleva acabo agregando impurezas pentavalentes en materiales como el Silicio, con la intención de que existan más portadores libres en la estructura del material, esto da como resultado que dentro de los enlaces covalentes exista un electrón libre fijado frágilmente, con esto se gana que a temperatura ambiente se tenga un gran número de portadores en el nivel de conducción incrementando la conductividad del material.
  • Materiales tipo p, son aquellos materiales semiconductores dopados con impurezas que únicamente tienen tres electrones de valencia como el boro, galio e indio. A este tipo de dopaje le hace falta un electrón en la estructura a lo que se denomina “hueco” y fácilmente acepta un electrón libre cuando el material es excitado con una diferencia de potencial y aumenta la energía cinética en la estructura.

 

Ahora, cada capa tiene un nivel de dopaje diferente con lo que se le da ciertas características a los transistores al momento que la corriente pasa a través de la estructura, por ejemplo:

  • La capa del emisor es la más dopada
  • La capa del colector es medianamente dopada
  • La capa de la base es ligeramente dopada

Como podemos observar las capas externas tienen un mayor grosor que la capa que está en medio ya sea tipo n o tipo p, según el libro Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, la relación en las dimensiones es:

  • Entre el grosor total y el de la capa central es de 0.150/0.001 = 150:1 (150 a 1)
  • El dopado de la capa emparedada o central es considerablemente menor que las externas comúnmente 10:1 (diez a uno), en esta capa se incrementa la resistividad y disminuye la conductividad debido a su nivel bajo de dopaje.

 

Transistores NPN y Transistores PNP

Como te mencione anteriormente un transistor está construido por dos materiales iguales y uno diferente, con lo que se tiene las tres terminales de este semiconductor, Base, Colector y Emisor, esta configuración provoca que tengamos dos tipos de transistores NPN y PNP y cada uno cumple y tiene aplicaciones únicas en la industria, por ejemplo, como amplificadores de señales o interruptores en circuitos digitales.

 

Transistores NPN

Los transistores NPN son transistores que están construidos a partir de dos materiales semiconductores tipo N y un tipo P, con lo cual se obtiene tres terminales en donde:

  • El Emisor (E) es tipo N
  • La Base (B) es tipo P
  • El Colector (C) es tipo N

 

Transistores PNP

Los transistores PNP son transistores que están construidos a partir de dos materiales tipo P y un tipo N, dando como resultado la siguiente configuración de terminales:

  • Emisor (E) es tipo P
  • Base (B) es tipo N
  • Colector (C) es tipo P

 

Esta es la diferencia entre un transistor PNP y un NPN

Una pregunta que me hacía en la universidad era, ¿Por qué dos tipos de transistores?, ¿Por qué uno PNP y otro NPN? y si tú tienes esta duda, resulta de lo más fácil explicar porque esto es así, y simplemente ¡No importa! Un transistor PNP y NPN funcionan exactamente igual teóricamente y lo único que los diferencia es la manera en que aplicamos la polarización, por ejemplo:

  • Un transistor PNP se debe polarizar aplicando un voltaje positivo Emisor – Base (EB) para que este conduzca.
  • Un transistor NPN se debe polarizar aplicando un voltaje negativo Emisor – Base (EB) para que este conduzca.

En resumen, lo que importa es la aplicación y la naturaleza del circuito de tu proyecto, si una sección trabaja con lógica negativa en definitiva debes utilizar un transistor NPN, aunque comúnmente la mayoría de los diseñadores trabajan con lógica positiva.

 

Convención en la notación de un Transistor BJT

Si has seguido cada apartado en este artículo has visto que un Transistor de unión bipolar se compone de tres capas, pues precisamente esto se ha convertido en una convención para que cualquiera que utilice un Transistor pueda manipularlo sin tener duda de que la terminal que va a conectar es la Capa Base y no la Capa Colector y la convención es la siguiente:

  • La letra mayúscula E hace referencia a la capa Emisor
  • La letra mayúscula C hace referencia a la capa del Colector
  • La letra mayúscula B hace referencia a la capa Base

Así que no importa si es un transistor NPN o PNP ni tampoco quien lo fabrico, la convención siempre será la misma y solo varían sus características eléctricas y su respuesta en frecuencia.

 

¿Por qué son transistores Bipolares?

Ahora que ya sabes a que se refiere el termino dopar, podemos explicar por qué los transistores Bipolares se llaman así, de manera simple el termino Bipolar hace referencia a que los huecos y electrones son los principales actores en el proceso de inyección hacia el material que esta opuestamente polarizado. 

Para que se entienda un poco mejor, en un diodo solo existen dos capas, huecos y electrones y cuando se polarizan en directa los electrones saltan y son aceptados por un hueco permitiendo la conducción del diodo. Cuando un transistor es polarizado se crea un efecto de inyección de portadores libres o huecos sobre una tercera capa provocando los famosos efectos de corte, saturación, etc.

 

Así funcionan los Transistores

Lo primero que debes entender del funcionamiento de un Transistor es que no importa si es un transistor PNP o NPN teóricamente funcionan exactamente igual, así que me estaré basando en los tipos PNP, ya que ha sido el que más he utilizado en todo este tiempo.

 

Polarización de un Transistor

Por qué es importante saber ¿Cómo esta polarizado un Transistor? Sencillamente es la base para que comprendas como es que interactúan las corrientes en un Transistor y es la base para pasar a ver las configuraciones más populares en un Transistor. 

Cuando polarizas un Transistor Bipolar una unión p-n queda polarizada en directa y la otra unión p-n queda en inversa. Esto es porque de Emisor a Base aplicamos voltaje positivo y lo mismo pasa de Base a Colector, lo que da como resultado que tengamos dos polarizaciones al mismo tiempo en el Transistor.

 

Polarización en directa de un Transistor PNP

Esta condición indica que debemos aplicar un voltaje positivo de Emisor a Base y dado que la unión es p-n, causara un efecto similar a la polarización de un diodo en directa, en donde la región de empobrecimiento cerca de la unión p-n se reduce a causa de la diferencia de potencial aplicada provocando un flujo intenso de portadores mayoritarios del material tipo p al material tipo n.

 

Polarización en inversa de un transistor PNP

Esta condición indica que debemos aplicar una diferencia de potencial positiva de Base a Colector y dado que esta unión es n-p, la unión quedaría polarizada en inversa similarmente a lo que sucede en un diodo donde el flujo de portadores mayoritarios es prácticamente cero y sólo existe flujo de portadores minoritarios.

Ahora que ya sabes cómo esta polarizado un Transistor analicemos las corrientes aplicando polarización en las 3 terminales al mismo tiempo.

Como explica la imagen anterior al aplicar una diferencia de potencial, una unión queda polarizada en directa y la otra en inversa, esto provoca un flujo intenso de portadores mayoritarios del material p al material n polarizado en directa, sin embargo, a pesar que la otra unión está en inversa, los portadores mayoritarios atraviesan las regiones y llegan al material p junto a los portadores minoritarios proveniente del material n, esto se debe a que el material n es una región muy delgada y tiene una conductividad muy baja, provocando que muy pocos portadores mayoritarios tomen camino hacia la base y todos atraviesen al material p, esta es la razón por la que en los transistores de uso común la corriente de base es muy peque rondando en micro o nano amperes.

Si aplicamos ley de corrientes de Kirchhoff las corrientes en un transistor con la polarización mostrada es la siguiente:

 

ley de corrientes de Kirchhoff
Ley de corrientes de Kirchhoff

Donde

  • Ie es la corriente del emisor
  • Ic es la corriente del colector
  • Ib es la corriente de base

 

 

 

 

Ahora la corriente de colector Ic está compuesta por los portadores mayoritarios más los portadores minoritarios o corriente de fuga, es decir:

Corriente de fuga en un transistor

 

Donde Ico se denomina Ic con el emisor abierto, esta corriente la podemos comparar con la Is o corriente de saturación de un diodo que se presenta cuando lo polarizamos en inversa, debemos tener cuidado con la corriente de fuga Ico ya que, igual que con la Is del diodo se ve afectada por la temperatura, sin embargo, en la práctica los componentes han avanzado tanto que en muchas aplicaciones los efectos de esta corriente son despreciables.

 

Estas son las configuraciones de un transistor

Quiero hacer una pausa antes de continuar con las configuraciones de un transistor, hasta el momento hemos aprendido como está construido un transistor de unión bipolar y el comportamiento de los portadores mayoritarios y portadores minoritarios cuando se polariza un transistor, te recomiendo que si no lo has leído te tomes el tiempo de leerlo aunque sea de rápido ya que es importante que comprendas y conozcas un poco sobre cómo está compuesto.

Pues bien, si ya te disté el tiempo de repasar el tema, pasemos a conocer las configuraciones en un transistor de unión bipolar de una manera muy teórica, en otro capítulo analizaremos y haremos ejercicios que nos ayudaran a comprender mejor cada configuración, las configuraciones básicas y con las que debes comenzar tu aprendizaje son las siguientes:

  • Transistor en Base Común, en esta configuración la terminal Base es conectada a tierra, por lo tanto, es común a la entrada y a la salida del circuito, comúnmente esta configuración es utilizada como un buffer de corriente o para amplificar voltaje, en donde la entrada está en la terminal del emisor y la salida en la terminal del colector.
  • Transistor en Emisor Común, en esta configuración la terminal común entre la salida y la entrada es la capa del emisor, la entrada se conforma por las terminales Base – Emisor y la salida está entre el Colector – Emisor. En esta configuración se tiene una ganancia alta debido a que la corriente de colector o de salida es mayor que la corriente de entra o de base.
  • Transistor en Colector Común, aquí el colector es la terminal común, la entra es Base – Colector y la salida Emisor – Colector, esta configuración coparte prácticamente todas las características que en Emisor Común. En esta configuración no se consigue una buena amplificación de voltaje, es usado como amplificador de corriente, también se le conoce como seguidor del Emisor ya que el voltaje o tensión que se aplique en la Base será prácticamente la misma en el Emisor.

 

No te pierdas el siguiente articulo donde analizaremos cada una de las configuraciones del transistor, suscríbete a nuestro boletín para que te enteres cuando este liste. 

 



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Juan Carlos G

Electrónica y diseño web


Cree este blog para compartir uno de los temas que más me apasionan que es la electrónica, por lo tanto, además de tutoriales de electrónica, encontrarás en algunas páginas recomendaciones de productos relacionados a los LED principalmente.

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