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APUNTE: EL TRANSISTOR BIPOLARDE JUNTURA (B J T)

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INDICE

El Transistor Bipolar de Juntura ( B J T)…………………………………… Pág. 04Estructura del Transistor..…………………………………………………… Pág. 04Simbología del Transistor…………………………………………………… Pág. 05Encapsulados del Transistor...……………………………………………… Pág. 06Polarización del Transistor..………………………………………………… Pág. 06Operación del Transistor..…………………………………………………… Pág. 07Parámetros del Transistor...………………………………………………… Pág. 09Alfa de Componente Continua……………………………………………… Pág. 09Alfa de Componente Alterna………………………………………………… Pág. 10Beta de Componente Continua......………………………………………… Pág. 10

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EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (B J T)

La abreviatura BJT (bipolar junction transistor o transistor de unión bipolar) seaplica a menudo a este dispositivo de tres terminales.El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan enel proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno delos portadores se emplea (electrón o hueco), se considera que el dispositivo esunipolar.

a) Estructura del TransistorEl transistor bipolar de juntura (BJT) se puede definir como la unión de tres obleasde Silicio o Germanio dopadas alternativamente con material tipo PNP o NPNcomo se muestra en la figura 1 para un material tipo NPN.

Figura #1: Material Tipo NPN.

A cada material dopado se conecta un terminal metálico al que llamaremosterminal de Emisor, terminal de Base y terminal de Colector. Sin embargo, cadamaterial tiene un Área y cantidad de dopaje diferente entre sí.

a) El Emisor es el material más dopado del transistor y su área es mediana. Lafunción principal del Emisor es Emitir electrones. Hacia el colector.

b) La Base es el material menos dopado y de área más pequeña. Su función esde servir como Base o referencia para los otros terminales.

c) El Colector es el material de mayor área y medianamente dopado. Su funciónes de Colectar o recibir los electrones provenientes del Emisor.

Figura #2: Estructura de un transistor NPN

Como podemos observar, entre los terminales Emisor y Base se tiene elequivalente a un diodo de unión o Juntura que denominaremos Jbe por Junturabase-emisor. Una situación similar se produce entre la Base y Colector quedenominaremos Jbc. Eso es, si imaginariamente dividimos la base en dos partes,obtendremos la equivalencia a dos diodos según se muestra en al figura #3. Sinembargo, debemos decir que debido a la diferencia de dopaje que existe en cadauno de los terminales, es que la barrera de potencial producida en la unión Base –Emisor es mayor que la barrera de potencial producida en la unión Base –Colector, lo que es fundamental para determinar cada uno de los terminalesutilizando un multitester selectado como prueba de diodo.

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Figura #3: Junturas equivalentes

Considere que se tiene un transistor tipo NPN, entonces el terminal baseconducirá como diodo (terminal positivo), tanto hacia el terminal colector (Jbc)como al terminal emisor (Jbe), además, entre los terminales colector y Emisor nodebe conducir en ningún sentido. Identificado entonces el terminal base, sepuede determinar fácilmente terminal Emisor observando su mayor barrera depotencial o mayor impedancia al ser polarizado directamente que el terminalcolector respectivamente.

b) Simbología del Transistor

Electrónicamente, el transistor tiene su propia simbología dependiendo si elmaterial es NPN o bien es PNP como se muestra en la figura #4, donde E=Emisor; B =Base y C =Colector.

Figura #4: Simbología del transistor

Como se puede apreciar en la figura #4, el Emisor contiene una flecha que nopenetrará si el dispositivo es NPN, si la flecha penetra entonces el dispositivo esPNP. Como veremos posteriormente, esta flecha nos indica el sentido que tendrála corriente en el Emisor.

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c) Encapsulados del Transistor

El transistor tiene posee diferentes tipos de encapsulados, dependiendo de suscaracterísticas. Así por ejemplo, se tienen transistores de potencia, de altaganancia, etc.Estas características y por supuesto, su dopaje diferencia a un transistor de otro,por lo cual cada tipo de transistor tiene un código propio que lo identifica del restode sus homólogos. La figura #5 muestra algunos tipos de encapsulados.

Figura #5: Encapsulados del transistor

Cuando el encapsulado es metálico, entonces el terminal colector corresponderá ala carcaza del dispositivo.

d) Polarización del Transistor

Polarizar al transistor, significa entregar una diferencia de potencial o voltaje entresus terminales. La polarización es necesaria para establecer una región deoperación apropiada para la amplificación de señal alterna.

Para el caso del transistor, se requerirá que la juntura Base-Emisor (Jbe) estépolarizada en forma directa, mientras que la juntura Base-Colector (Jbc) ) estépolarizada en forma inversa. Como se muestra en la figura #6 para un transistorNPN.

Figura #6: Polarización de un transistor NPN

La figura 7 muestra un transistor PNP (a) y NPN (b) polarizado, como así también,nos muestra la relación que tiene el área de base con respecto al área total.

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Figura #7: Polarización del transistor.

e) Operación del Transistor

La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor pnpde la figura #8. La operación del transistor npn es exactamente igual si seintercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos.En la figura 8 se ha redibujado el transistor pnp sin la polarización base a colector.Nótense las similitudes entre esta situación y la del diodo polarizado directamente.El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarizaciónaplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del materialtipo p al tipo n

Figura 8 Unión polarizada directamente para un transistor PNP

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Como se puede observar de la figura #8, el ancho de la región de agotamiento seha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo deportadores mayoritarios del material tipo p al n.

Eliminaremos ahora la polarización base a emisor del transistor pnp de la figura7a, para dejar la polarización inversa que se presenta en la unión base colectorcomo se indica en la figura 9. Recuérdese que para una polarización inversa, elflujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo deportadores minoritarios y la zona desierta o región de agotamiento se ensanchará.

Figura 9: Unión polarizada inversamente para un transistor PNP

Consideremos ahora el funcionamiento del transistor polarizado como se muestraen la figura #10. En la cual, una unión p-n del transistor está polarizadainversamente, en tanto que la otra unión presenta polarización directa.

Figura 10:Flujo de portadores mayoritarios y minoritariosde un transistor pnp

Observamos en la figura 10 que ambos potenciales de polarización se hanaplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritarioque se indica. Nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indicancon toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente.Como se indica en la figura 10, un gran número de portadores mayoritarios desdeel emisor se difundirán a través de la unión p-n polarizada directamente hacia la

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base dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadorescontribuirán en forma directa a la corriente de base IB o pasarán directamentehacia el material tipo p del colector. Puesto que el material tipo n (Base) essumamente delgado y tiene una baja conductividad al tener un número muypequeño portadores mayoritarios, es que el mayor número de estos portadoresmayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada inversamente dentro delmaterial tipo p conectado a la terminal del colector, como se indica en la figura 10.La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios puedencruzar la unión polarizada inversamente hacia el colector, puede comprenderse siconsideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadoresmayoritarios del material tipo P inyectados desde el emisor, aparecerán comoportadores minoritarios en el material tipo n de la base. En otras palabras, hahabido una inyección de portadores minoritarios al interior del material de la regiónbase de tipo n. Combinando esto con el hecho de que en un diodo polarizadoinverso, la corriente se produce por los portadores minoritarios, se explica el flujoque se indica en la figura 10.

Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff al transistor de la figura 10 como si fueraun solo nodo, obtenemos1.0) IE = IC + IB

y descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en elcolector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector está formada por doscomponentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en lafigura 10. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga yse simboliza mediante ICO (corriente IC con la terminal del emisor abierta = open).Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante laecuación.

1.1) IC = ICmayoritaria + ICOminoritaria

En el caso de transistores de propósito general, IC se mide en miliamperes, entanto que ICO se mide en microamperes o nanoamperes.ICO para el transistor es como Is para un diodo polarizado inversamente, es decir,es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando seconsideren para aplicaciones con intervalos amplios de temperatura. Si esteaspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de unsistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en lastécnicas de construcción han producido niveles bastante menores de ICO, algrado de que su efecto puede a menudo ignorarse.

En forma análoga, podemos considerar la polarización del transistor NPN, en lacual, el movimiento es de electrones desde el Emisor hacia el Colectorfundamentalmente y una pequeña corriente de electrones circulará por la Base.En efecto, el nombre EMISOR obedece al hecho de que este terminal emite oentrega electrones, el terminal COLECTOR obedece al hecho de que este terminalrecibe o colecta los electrones desde el Emisor. El terminal BASE en cambio,corresponde al terminal de referencia o base para el transistor.

Parámetros del transistor

Alfa de componente continua ? cd.Dependiendo del dopaje, se puede conocer de antemano el porcentaje deportadores mayoritarios que son inyectados desde el Emisor y que llegan alcolector. A este porcentaje, dado en tanto por uno tiene el nombre de Alfa (? ), es

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así por ejemplo, que si en un transistor tipo NPN tiene ? ?= 0,9. Quiere decir que elnoventa por ciento (90%) de los electrones inyectados en el Emisor llegan alcolector y el resto, es decir, el 10% llegará a la Base. Como la corriente es elnúmero de portadores mayoritarios (para nuestro caso particular electrones) porunidad de tiempo, se puede decir que:1.2) Ic = ? cd * IE + ICOSi despreciamos los portadores minoritarios, se puede decir que Ic = ? cd * IE.Mientras más delgada y menos contaminada sea la capa de base, más alta seráel valor de ? cd??

Alfa de componente alterna ? ca.

Para las situaciones de ca en donde el punto de operación Q se mueve sobre lacurva característica, un alfa de ca se define por

1.3)

El alfa de ca se denomina formalmente el factor de amplificación de base comúnen corto circuito. Admitiendo que la ecuación (1.3) especifica que un cambio relativamentepequeño en la corriente de colector se divide por el cambio correspondiente en IEmanteniendo constante el voltaje colector a base. Para la mayoría de lassituaciones las magnitudes de ? ca y de ? cd se encuentran bastante cercanas,permitiendo usar la magnitud de una por otra.

Beta de componente continua (? cd??En el modo de continuo, los valores de IC e IB se relacionan por una cantidaddenominada beta. Si despreciamos la corriente producto de los y portadoresminoritarios, podemos decir que.???????? cd = IC / IB Pero: de 1.0) IE = (IC + IB) y de 1.2) IC = ? ? IE o bien,IC = ? ? (IC + IB) es decir, IC = ? ? IC???? ? IB o IC - ? ? IC?=?? ? IB,IC ? (1- ? ??=?? ? IB, Luego

1.5) ???? cd = IC = ? ??? IB (1- ? ?

De modo que:

1.6)

Nota: En algunos manuales técnicos, el nombre de ? cd es reemplazado por HFE.Se puede decir entonces que:

1.7) IC ? ? ?IB además IE =IC + IB, Entonces

1.8) IE = (? +1)*IB

Si consideramos a los portadores minoritarios, la ecuación 1.7) quedará como IC ? ? ???IB + (? +1) * ICBO

)1( ?? ???

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Al igual que Alfa, existe un ? ?continuo (? cd ) y un ? alterno (? ac o Hfe). Otroaspecto interesante de mencionar es la relación que hay entre sus terminales, enefecto, si observamos la figura #7, podemos concluir que:

1.9) VEB + VBC = VEC .

La ecuación 1.9 es válida tanto para transistores PNP como también paratransistores NPN, en este último caso, solo cambian los signos de los voltajes oque es lo mismo, se cambian losSubíndices (VBE + VCB = VCE).