4.1: Introducción a los transistores de unión bipolar (BJT)

Esta revolución hizo posible el diseño y fabricación de dispositivos electrónicos livianos y económicos que ahora damos por sentado. Entender cómo funcionan los transistores es de suma importancia para cualquier persona interesada en comprender la electrónica moderna.

La función y las aplicaciones de los transistores de unión bipolar

Mi intención aquí es enfocarme lo más exclusivamente posible en la función práctica y aplicación de los transistores bipolares, en lugar de explorar el mundo cuántico de la teoría de semiconductores. Las discusiones de agujeros y electrones es mejor dejar a otro capítulo en mi opinión. Aquí quiero explorar cómo usar estos componentes, no analizar sus detalles internos íntimos. No quiero restar importancia a la comprensión de la física de semiconductores, pero a veces un enfoque intenso en la física de estado sólido resta importancia a la comprensión de las funciones de estos dispositivos a nivel de componentes. Al tomar este enfoque, sin embargo, asumo que el lector posee un cierto conocimiento mínimo de semiconductores: la diferencia entre semiconductores dopados “P” y “N”, las características funcionales de una unión PN (diodo) y los significados de los términos “polarización inversa” y “polarización directa”. Si estos conceptos no le resultan claros, lo mejor es referirse a capítulos anteriores de este libro antes de continuar con este.

Capas BJT

Un transistor bipolar consiste en un “sándwich” de tres capas de materiales semiconductores dopados (extrínsecos), ya sea P-N-P en la Figura siguiente (b) o N-P-N en (d). Cada capa que forma el transistor tiene un nombre específico, y cada capa está provista de un contacto de cable para la conexión a un circuito. Los símbolos esquemáticos se muestran en la Figura siguiente (a) y (d).

Transistor BJT: (a) símbolo esquemático PNP, (b) disposición física (c) símbolo NPN, (d) disposición.

La diferencia funcional entre un transistor PNP y un transistor NPN es la polarización adecuada (polaridad) de las uniones cuando se opera. Para cualquier estado de funcionamiento dado, las direcciones de corriente y las polaridades de voltaje para cada tipo de transistor son exactamente opuestas entre sí.

Los transistores bipolares funcionan como reguladores de corriente controlados por corriente. En otras palabras, los transistores restringen la cantidad de corriente que pasa de acuerdo con una corriente controladora más pequeña. La corriente principal que se controla va de colector a emisor, o de emisor a colector, dependiendo del tipo de transistor que sea (PNP o NPN, respectivamente). La pequeña corriente que controla la corriente principal va de base a emisor, o de emisor a base, una vez más dependiendo del tipo de transistor que sea (PNP o NPN, respectivamente). De acuerdo con los estándares de simbología de semiconductores, la flecha siempre apunta contra la dirección del flujo de electrones. (Figura abajo)

La corriente de emisor base pequeña controla la corriente colector-emisor grande que fluye contra la flecha del emisor.

Los transistores bipolares contienen dos tipos de material semiconductor

Los transistores bipolares se denominan bipolares porque el flujo principal de electrones a través de ellos tiene lugar en dos tipos de material semiconductor: P y N, ya que la corriente principal va de emisor a colector (o viceversa). En otras palabras, dos tipos de portadores de carga —electrones y agujeros— comprenden esta corriente principal a través del transistor.

Como puede ver, la corriente controladora y la corriente controlada siempre se entrelazan a través del cable emisor, y sus electrones siempre fluyen contra la dirección de la flecha del transistor. Esta es la primera y más importante regla en el uso de transistores: todas las corrientes deben ir en las direcciones adecuadas para que el dispositivo funcione como regulador de corriente. La corriente pequeña y controladora suele denominarse simplemente como la corriente base porque es la única corriente que pasa por el cable base del transistor. Por el contrario, la corriente grande y controlada se conoce como la corriente del colector porque es la única corriente que pasa a través del cable del colector. La corriente del emisor es la suma de las corrientes base y colectora, de conformidad con la Ley Actual de Kirchhoff.

Ninguna corriente a través de la base del transistor apaga el transistor como un interruptor abierto y evita que la corriente pase por el colector. Una corriente base enciende el transistor como un interruptor cerrado y permite una cantidad proporcional de corriente a través del colector. La corriente de colector está limitada principalmente por la corriente base, independientemente de la cantidad de voltaje disponible para empujarla. En la siguiente sección se explorará con más detalle el uso de transistores bipolares como elementos de conmutación.

Revisar

• Los transistores bipolares se denominan así porque la corriente controlada debe pasar por dos tipos de material semiconductor: P y N. La corriente consiste tanto en flujo de electrones como de orificio, en diferentes partes del transistor.
• Los transistores bipolares consisten en una estructura “sandwich” semiconductora P-N-P o N-P-N.
• Los tres conductores de un transistor bipolar se llaman Emisor, Base y Colector.
• Los transistores funcionan como reguladores de corriente al permitir que una corriente pequeña controle una corriente más grande. La cantidad de corriente permitida entre el colector y el emisor se determina principalmente por la cantidad de corriente que se mueve entre la base y el emisor.
• Para que un transistor funcione correctamente como regulador de corriente, la corriente controladora (base) y las corrientes controladas (colector) deben ir en las direcciones adecuadas: engranando aditivamente en el emisor y yendo contra el símbolo de flecha del emisor.