Transistor BJT.
Transistor BJT.
El transistor de unión bipolar es
un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en
dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite aumentar la
corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a
través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la
conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos
polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de
gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos
inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.
Los transistores bipolares son los transistores más
conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque
también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología
TTL o BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones
PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy
estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
·
Emisor, que se diferencia de las otras
dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre
se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores
de carga.
·
Base, la intermedia, muy estrecha, que
separa el emisor del colector.
·
Colector, de extensión mucho mayor.
La técnica de fabricación más común es la
deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor
está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los
portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy
angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector.
El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de
saturación y estado de actividad
Estructura de un transistor de
unión bipolar del tipo PNP.
Un transistor de unión bipolar consiste en tres
regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la
base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P,
tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN.
Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor
(E), base (B) o colector (C), según corresponda.
Corte transversal simplificado de
un transistor de unión bipolar NPN en el cual se aprecia como la unión
base-colector es mucho más amplia que la base-emisor.
La base está físicamente localizada entre el emisor
y el colector y está compuesta de material semiconductor ligeramente dopado y
de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, haciendo casi
imposible para los electrones inyectados en la región de la base escapar de ser
colectados, lo que hace que el valor resultante de α se acerque mucho hacia la
unidad, y por eso, otorgarle al transistor una gran β.
El transistor de unión bipolar, a diferencia de
otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa
que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de
funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que
la estructura interna del transistor está usualmente optimizada para funcionar
en modo activo, intercambiar el colector con el emisor hacen que los valores de
α y β en modo inverso sean mucho más pequeños que los que se podrían obtener en
modo activo; muchas veces el valor de α en modo inverso es menor a 0.5. La
falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre
el emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el
colector está ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una
gran tensión de reversa en la unión colector-base antes de que esta colapse. La
unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. La
razón por la cual el emisor está altamente dopado es para aumentar la
eficiencia de inyección de portadores del emisor: la tasa de portadores
inyectados por el emisor en relación con aquellos inyectados por la base. Para
una gran ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la
unión base-emisor deben provenir del emisor.
El bajo desempeño de los transistores bipolares
laterales muchas veces utilizados en procesos CMOS es debido a que
son diseñados simétricamente, lo que significa que no hay diferencia alguna
entre la operación en modo activo y modo inverso.
Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los
terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el
colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para
amplificar la tensión o corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como
fuentes de corriente controladas por tensión, pero son caracterizados más
simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente, o por
amplificadores de corriente, debido a la baja
impedancia de la base.
Los primeros transistores fueron fabricados de germanio,
pero la mayoría de los BJT modernos están compuestos de silicio.
Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de
heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente
utilizados en aplicaciones de alta velocidad.
Regiones operativas del transistor
Los transistores de
unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente
por la forma en que son polarizados:
·
Región activa directa
en cuanto a la polaridad:
corriente del emisor = (β + 1)·Ib ;
corriente del colector= β·Ib
Cuando
un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte
entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la
corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib),
de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias
que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante
si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.
·
Región inversa:
Al
invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el
transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las
regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de
los BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo,
el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo
activo.
·
Región de corte: Un transistor está en corte cuando:
corriente de colector = corriente de emisor
= 0, (Ic = Ie = 0)
En
este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje
de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída
de voltaje, ver Ley de Ohm). Este
caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)
De
forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un
circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero.
·
Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:
corriente de colector ≈ corriente de emisor
= corriente máxima, (Ic ≈
Ie = Imáx)
En
este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del
circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en
ambos, ver Ley de Ohm. Se
presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor
desciende por debajo del valor umbral VCE, sat. Cuando el transistor
esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β·Ib (y por ende, la relación Ie=(β+1)·Ib ) no se cumple.
De
forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable,
ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.
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