Saltar al contenido principal
LibreTexts Español

4.2: El transistor de unión bipolar

  • Page ID
    83452
  • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    En trabajos previos descubrimos que la unión PN es la base del diodo básico. En condiciones normales de funcionamiento, la interfaz entre los materiales de tipo N y tipo P está desprovista de cargos gratuitos y se conoce como región de agotamiento. Los diferentes niveles de Fermi de materiales tipo N y tipo P conducen a una “colina de energía” entre ellos, y sin un potencial externo de la polaridad adecuada, la unión no permitirá que fluya la corriente. La magnitud requerida es una función del material utilizado pero siempre es el caso de que el material P (ánodo) debe ser positivo con respecto al material N (ánodo). Ampliamos esta idea agregando una segunda porción de material N al otro lado del material P, creando una especie de “sándwich” N-P-N. Esto se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\).

    clipboard_ed344c3e2bb85cc9f1cd248974aa6cb44.png

    Figura\(\PageIndex{1}\): Configuración básica del transistor de unión bipolar NPN.

    Este diagrama se dibuja para facilitar la comprensión del funcionamiento del dispositivo, extendiendo nuestro trabajo de diodo anterior. En contraste, los BJT reales están construidos más de una manera de “pastel de capas”, N-P-N de abajo a arriba 1. Por supuesto, la orientación espacial del dispositivo no tiene relación con su funcionamiento por lo que este no es un problema importante para nuestros fines. Los tres terminales se denominan emisor, base y colector. El colector es la más grande de las tres regiones mientras que la base es relativamente delgada y ligeramente dopada.

    Por encima del cero absoluto habrá recombinación y se formarán dos regiones de agotamiento como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\). Compare esta cifra con el dibujo básico de unión PN encontrado al inicio del Capítulo 2, Figura 2.1.1.

    clipboard_ee06052ebf5afe7e407ffd55c135ddede.png

    Figura\(\PageIndex{2}\): Cargos en NPN BJT (región base ensanchada para mostrar detalle).

    4.2.1: Un modelo simple de dos diodos

    Debido a que este dispositivo contiene dos regiones de agotamiento, se puede crear un modelo muy simplificado usando dos diodos como se muestra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Por favor, ten en cuenta que este es un modelo muy limitado (como veremos pronto).

    clipboard_e292c9fc287507e4a011297efb595c02d.png

    Figura\(\PageIndex{3}\): Modelo de diodo de NPN BJT.

    Si tuvieras que probar un BJT NPN con un ohmímetro, dos derivaciones a la vez, este modelo predeciría con éxito los resultados. Si el cable rojo (positivo) del ohmímetro está conectado a la base y el cable negro (negativo) está conectado ya sea al emisor o colector, se indicará una resistencia baja. Esto se debe a que el ohmímetro polarizará modestamente hacia adelante la unión base-emisor o base-colector. De igual manera, si los cables se invierten, el medidor indicará alta resistencia debido a que la unión en consideración será de polarización inversa. Si los dos conductores están conectados al emisor y al colector, se obtendrá una lectura alta independientemente de la polaridad. Esto se debe a que uno de los dos cruces tendrá polarización inversa, lo que da como resultado que no fluya corriente a través de ninguno de ellos debido a la conexión en serie.

    4.2.2: Sesgar el BJT

    Ahora consideremos agregar fuentes externas para polarizar el transistor. Comenzamos agregando dos fuentes de CC con resistencias limitadoras de corriente asociadas como se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).

    clipboard_e5cd3cfdcfa19735e366b85e459b1490d.png

    Figura\(\PageIndex{4}\): Doble sesgo inverso.

    Este circuito está compuesto por dos bucles, uno entre el base-emisor y el segundo entre el base-colector. En el bucle B-E, el suministro\(V_{EE}\) del emisor polariza al diodo base-emisor. Una situación similar ocurre en el bucle B-C donde el suministro del colector invierte sesgo al diodo base-colector. El resultado es que prácticamente no fluye corriente en ninguna parte del circuito. Si los dos suministros se invierten en polaridad, entonces ambos diodos se polarizan hacia delante y vemos corrientes que fluyen en ambos bucles dependiendo de los valores precisos de los suministros y las resistencias asociadas. No hay sorpresas hasta el momento. Ahora considere si polarizamos hacia adelante el diodo base-emisor mientras simultáneamente inversepolarizamos el diodo base-colector, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

    clipboard_eafa39fc520c9bff21dccc90d13943ba9.png

    Figura\(\PageIndex{5}\): Sesgo hacia adelante y hacia atrás.

    Con un simple par de diodos esperaríamos que el bucle B-E muestre una corriente alta y el bucle B-C muestre una corriente insignificante. Con un BJT, esto no es lo que sucede. En cambio, lo que vemos es una corriente alta en ambos bucles, y esas corrientes son casi iguales en magnitud. ¿Cómo ocurre esto?

    La clave para entender esta situación es que la base del BJT es delgada y ligeramente dopada. Por el contrario, el modelo de diodo dual divide la base en dos piezas separadas de material y eso marca la diferencia. Para entender mejor lo que está sucediendo aquí, echemos un vistazo más de cerca a este circuito de polarización de avance y retroceso pero esta vez sustituyendo el diagrama de transistores de la Figura\(\PageIndex{2}\). Consulte la Figura\(\PageIndex{6}\).

    clipboard_eaefe3fcc5f330ed0222f669366c1ba97.png

    Figura\(\PageIndex{6}\): Sesgo directo e inverso, flujo de electrones.

    El flujo de electrones facilitará esta explicación por lo que dibujaremos las direcciones actuales usando líneas discontinuas. Desde el lado izquierdo del diagrama, los electrones salen del suministro del emisor y entran en el emisor N. Aquí son los portadores mayoritarios. El agotamiento base-emisor crea una colina de energía tal como lo hizo con una sola unión PN. Mientras haya suficiente potencial del suministro del emisor, los electrones serán empujados a la base. Estos electrones intentarán recombinarse con la mayoría de los agujeros de base, sin embargo, debido a que la base es físicamente delgada y ligeramente dopada, solo un pequeño porcentaje de los electrones inyectados se recombinarán con agujeros de base y saldrán del terminal base de nuevo a tierra. Esta corriente se denomina corriente de base o corriente de recombinación. Mientras tanto, la gran mayoría de los electrones restantes (95% a más del 99%) encontrarán su camino hacia la región de agotamiento del colector base y luego al colector. Una vez en el colector, los electrones son nuevamente el portador mayoritario y fluyen de regreso al terminal positivo de la fuente de alimentación del colector. El diagrama de energía del transistor se representa en la Figura\(\PageIndex{7}\). Compárelo con el diagrama de energía de unión PN única que se encuentra al inicio del Capítulo 2, Figura 2.1.2.

    clipboard_e8a4f2328f2a620360958f76bd10dc29a.png

    Figura\(\PageIndex{7}\): Diagrama energético de BJT.

    A primera vista, puede parecer que los cables del emisor y del colector se pueden intercambiar sin ningún cambio en la operación. Con los dispositivos del mundo real esto no es posible generalmente porque las regiones de emisor y colector están optimizadas y no son físicamente idénticas. Por lo tanto, colocar transistores en un circuito hacia atrás, con cables de emisor y colector intercambiados, generalmente resultará en un comportamiento impredecible.

    Con base en la discusión anterior y lo que ya sabemos sobre las uniones PN, podemos resumir el rendimiento del transistor de la siguiente manera:

    • De KCL,\(I_E = I_C + I_B\).
    • \(I_C \gg I_B\), por lo tanto\(I_E \approx I_C\).
    • La unión base-emisor está polarizada hacia delante, por lo tanto\(V_{BE} \approx 0.7\) V (silicio).
    • La unión base-colector es de polarización inversa, por lo tanto\(V_{CB}\) es grande.
    • La corriente convencional fluye hacia el colector y la base, y sale del emisor.

    También podemos definir un par de parámetros de rendimiento de transistores. La relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor se llama\(\alpha \) (alfa). \(\alpha \)típicamente es mayor a 0.95. Un parámetro algo más útil es la relación entre la corriente del colector y la corriente base. Esto se llama\(\beta \) (beta) y también se puede encontrar en hojas de especificaciones de transistores como\(h_{FE}\) (\(h_{FE}\)es uno de los cuatro parámetros híbridos). También se le conoce genéricamente como ganancia de corriente (si\(I_B\) está en la señal de entrada y\(I_C\) es la señal de salida entonces\(\beta \) representa la cantidad de aumento o ganancia de señal). Para pequeños transistores de señal\(\beta \) típicamente está en el rango de 100 a 200, aunque puede ser más grande. Para los transistores de potencia,\(\beta \) tiende a ser más pequeños, más como 25 a 50. Presentadas como fórmulas tenemos:

    \[\alpha = I_C / I_E \label{4.1} \]

    \[\beta = I_C / I_B \label{4.2} \]

    Y con un poco de matemáticas,

    \[\alpha = \beta / (\beta +1) \nonumber \]

    \[\beta = \alpha / (1−\alpha ) \nonumber \]

    \[I_C = \beta I_B \nonumber \]

    Finalmente, llegamos al símbolo esquemático del BJT NPN, como se muestra en la Figura\(\PageIndex{8}\). Una variación común coloca el cuerpo del dispositivo dentro de un círculo. Siguiendo el estándar, la flecha apunta al material N y en la dirección del flujo de corriente convencional fácil.

    clipboard_e4d513b342cca16f965d597f0f2f7e838.png

    Figura\(\PageIndex{8}\): Símbolo esquemático NPN

    4.2.3: Transistor de unión bipolar PNP

    La versión PNP del BJT se crea intercambiando el material por cada capa. El resultado es la inversa lógica del NPN con respecto a las direcciones de corriente y polaridades de voltaje. Es decir, la corriente convencional fluye hacia el emisor, y sale del colector y la base (haciéndose eco del flujo de electrones del NPN). Además, los voltajes a través del dispositivo tienen polaridad invertida, por ejemplo,\(V_{BE} \approx −0.7\) V. Todas las demás características permanecen sin cambios por lo que ecuaciones como\ ref {4.1} y\ ref {4.2} siguen siendo aplicables. Casi cualquier circuito basado en NPN tiene su contraparte PNP. El símbolo esquemático del PNP invierte la flecha del emisor. Como la base es ahora el material N, la flecha apunta hacia la base. Esto se ilustra en la Figura\(\PageIndex{9}\).

    clipboard_eb9d34864dc8ea2898b8864708a515e45.png

    Figura\(\PageIndex{9}\): Símbolo esquemático PNP

    Referencias

    1 Homero dice: “Mmm, sándwich de pastel de capa NPN...”


    This page titled 4.2: El transistor de unión bipolar is shared under a CC BY-NC-SA 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by James M. Fiore via source content that was edited to the style and standards of the LibreTexts platform; a detailed edit history is available upon request.