2.1: Introducción a las resistencias bipolares

Última actualización
Guardar como PDF

Page ID: 86435

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Dejemos el mundo de dos dispositivos terminales (que por cierto se llaman todos diodos; diodo solo significa dos terminales) y adentrémonos en el mundo mucho más interesante de tres terminales. El primer dispositivo que veremos se llama transistor bipolar. Considere la estructura que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\):

Una capa de silicio dopado p (la base) está en el medio, en contacto con una capa de silicio fuertemente dopado con n (el emisor) a la izquierda, y una capa más ligeramente dopada con n (el colector) a la derecha. La corriente I_C fluye hacia el colector, la corriente I_B fluye hacia la base y la corriente I_E fluye fuera del emisor. — Figura\(\PageIndex{1}\): Estructura de un transistor bipolar NPN

El dispositivo consta de tres capas de silicio: una capa de tipo n fuertemente dopada llamada emisor, una capa de tipo p moderadamente dopada llamada base y una tercera capa más ligeramente dopada llamada colector. En una configuración de polarización (potencial CC aplicado) llamada polarización activa directa, la unión emisor-base está polarizada hacia delante y la unión base-colector es polarizada inversa. La figura\(\PageIndex{2}\) muestra las convenciones de sesgo que usaremos. Ambos voltajes de polarización están referenciados al terminal base. Dado que la unión base-emisor está polarizada hacia delante, y dado que la base está hecha de material tipo p\(V_{\text{EB}}\) debe ser negativa. Por otro lado, para invertir la polarización la unión base-colector,\(V_{\text{CB}}\) será una tensión positiva.

El transistor bipolar NPN de la Figura 1 anterior, conectado a un circuito con las corrientes previamente nombradas fluyendo a través de él. — Figura\(\PageIndex{2}\): Biasing activo directo de un transistor bipolar NPN

Ahora, dibujemos el diagrama de bandas para este dispositivo. Al principio esto puede parecer difícil de hacer, pero sabemos cómo se ven los diagramas de bandas con sesgo directo e inverso, así que simplemente pegaremos uno de cada uno. Esto lo mostramos en la Figura\(\PageIndex{3}\). La figura\(\PageIndex{3}\) es una figura muy ocupada, pero también es muy importante, ya que muestra todas las características importantes en la operación del transistor. Dado que la unión base-emisor está polarizada hacia delante, los electrones pasarán del emisor (tipo n) a la base. De igual manera, algunos agujeros de la base serán inyectados en el emisor.

Diagrama de banda para el transistor bipolar anterior. Algunos agujeros se inyectan desde la base hasta el emisor, con el flujo de corriente etiquetado como I_Eh. Algunos electrones son inyectados desde el colector a la base, con el flujo etiquetado I_Ce; algunos electrones se inyectan desde la base al emisor, con el flujo etiquetado I_Ee. Hay flujo de electrones dentro de la base, etiquetado I_Bdif, y recombinación de agujeros y electrones dentro de la base, etiquetada I_Br. — Figura\(\PageIndex{3}\): Diagrama de banda y flujos portadores en un transistor bipolar

En Figura\(\PageIndex{3}\), tenemos dos tipos diferentes de flechas. Las flechas abiertas que están unidas a los transportistas, nos muestran en qué dirección se mueve el transportista. Las flechas sólidas que están etiquetadas con algún tipo de subíndice\(I\) representan el flujo de corriente. Tenemos que hacer esto porque para los agujeros, el movimiento y el flujo de corriente están en la misma dirección, mientras que para los electrones, el movimiento del portador y el flujo de corriente están en direcciones opuestas.

Tal como vimos en el último capítulo, los electrones que se inyectan en la base se difunden lejos de la unión emisor-base hacia la unión base-colector (polarizada inversa). A medida que se mueven a través de la base, algunos de los electrones encuentran agujeros y se recombinan con ellos. Esos electrones que sí llegan a la unión base-colector se encuentran en un gran campo eléctrico que los barre fuera de la base y hacia el colector. (Ellos “caen” por la gran caída potencial en el cruce.)

Todos estos efectos se ven en la Figura\(\PageIndex{3}\), con flechas que representan las diversas corrientes que están asociadas con cada uno de los flujos portadores. \(I_{\text{Ee}}\)representa la corriente asociada con la inyección de electrones en la base. (Señala en dirección opuesta al movimiento de los electrones, ya que los electrones tienen una carga negativa). \(I_{\text{Eh}}\)representa la corriente asociada con la inyección de agujeros en el emisor desde la base. \(I_{\text{Br}}\)representa la corriente de recombinación en la base, mientras que\(I_{\text{Ce}}\) representa la corriente electrónica que va al colector. Debería ser fácil para ti ver que:

\[I_{E} = I_{\text{Ee}} + I_{\text{Eh}} \nonumber \]\[I_{B} = I_{\text{Eh}} + I_{\text{Br}} \nonumber \]\[I_{C} = I_{\text{Ce}} \nonumber \]

En un transistor “bueno”, casi toda la corriente a través de la unión base-emisor consiste en electrones que se inyectan en la base. El ingeniero de transistores trabaja arduamente para diseñar el dispositivo de manera que muy poca corriente del emisor esté compuesta por agujeros que vienen de la base hacia el emisor. El transistor también está diseñado para que casi todos esos electrones que se inyectan en la base lo hagan a través de la unión de polarización inversa base-colector. Alguna recombinación es inevitable, pero las cosas están dispuestas para minimizar este efecto.