Transistor de unión bipolar

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El transistor es un dispositivo de tres terminales, a diferencia del diodo, que tiene dos terminales. Este consiste en un material de tipo p y uno de tipo n; el transistor puede consistir en dos materiales de tipo n separados por un material de tipo p (transistor npn) o en dos materiales p separados por un material n (transistor pnp).

Las tres capas o secciones diferentes se identifican como emisor, base y colector. El emisor, capa de tamaño medio diseñada para emitir o inyectar electrones, está bastante contaminado. La base, con una contaminación media, es una capa delgada diseñada para pasar electrones. El colector, capa grande diseñada para colectar electrones, está poco contaminado. El transistor se puede concebir como dos uniones pn colocadas "espalda contra espalda", éstas se denominan transistores bipolares de unión (BJT, bipolar función transistor).

Operación del transistor Una explicación sencilla pero eficaz de la operación del transistor npn se lleva a cabo utilizando la técnica de diagramas de barrea de potencial de la figura 2.4(b). Este método ilustra de manera simplificada la operación básica de un transistor bipolar de tal forma que se puedan entender ejemplos de circuitos sencillos. Cuando la unión base-emisor se polariza en directo y la unión base-colector en inverso, los electrones que dejan el material n del emisor sólo ven una barrera de potencial pequeña en la unión np. Como la barrera de potencial es pequeña, muchos de los electrones tienen la suficiente energía para llegar al tope de ella. Una vez en el tope, los electrones se mueven fácilmente a través del material p (base) a la unión pn (base-colector). Cuando se acercan a esta unión, los electrones se encuentran bajo la influencia de la fuente de tensión positiva y se mueven con mucha rapidez conforme descienden en la barrera de potencial. Si se reduce la polarización en directo de la unión base-emisor, aumenta la altura de la barrera de potencial. Alos electrones que dejan el emisor les será más difícil alcanzar el tope. Los electrones que lo alcanzan son aquellos con mayor cantidad de energía, y los que alcanzarán el colector. Por tanto, una reducción de la polarización en directo provoca que la corriente a través del transistor se reduzca en forma considerable. Por otra parte, al aumentar la polarización en directo de la unión base-emisor se reduce la barrera de potencial y se permite el flujo de un mayor número de electrones a través del transistor.

El flujo de corriente en un transistor de unión también se puede entender mediante el examen del comportamiento de los portadores de carga y las regiones desérticas. Estas regiones se identificaron en la figura 2.4(b). Nótese que como la unión base-emisor esta polarizada en directo, la región desértica es relativamente delgada. Lo inverso es correcto para la unión base-colector. Un gran número de portadores mayoritarios (electrones) se difunde a través de la unión base emisor, puesto que ésta se halla polarizada en directo. Estos electrones entran a la región de la base y tienen dos opciones. Podrían dejar esta región a través de la conexión con las fuentes de alimentación o continuar hacia la región de colector a través de la amplia región desértica de la unión polarizada en inverso. Lo normal sería que la mayor parte de esta corriente regresará a la fuente, excepto por las siguientes observaciones. Como la región de base es muy delgada, estos electrones necesitan viajar una distancia más corta para ser atraídos por la fuente positiva del colector. Además, el material de la base posee una conductividad baja, por lo que el trayecto hacia la terminal de la fuente presenta alta impedancia. En realidad, una cantidad muy pequeña de los electrones deja la base a través de la conexión con la fuente; la mayor parte de la corriente fluye hacia el colector.

El transistor de unión bipolar presenta ganancia de corriente, lo cual se puede utilizar para amplificar señales. En la figura 2.5 se muestra el circuito equivalente simplificado de un transistor npn. Por lo general, este modelo es adecuado para el diseño y análisis de muchos circuitos. En la figura 2.7 se muestra una versión refinada de este modelo, conocida como modelo de Ebers-Moll. La unión base-emisor actúa como un dipolo polarizado en directo con una corriente iB + iC. La unión base-colector esta polarizada en inverso y exhibe una corriente de fuga pequeña, ICBO, y una corriente grande, b iB. Esta última es provocada por la interacción de corrientes en la base. Queda claro que iE = iC + iB

Nótese que la dirección positiva de las corrientes de base y colector se define entrando al transistor, y en forma inversa para la corriente del emisor. Esta es una simple convección, y se podría haber invertido cualquiera de las direcciones. La ganancia de corriente en base común, a , se define como la razón del cambio en la corriente de colector al cambio en la corriente de emisor, suponiendo que la tensión entre el colector y la base es constante. Por tanto,

Esto se muestra de manera gráfica en la figura 2.8, donde ICBO es la corriente de fuga entre base y colector. Se desea encontrar una relación entre las corrientes de base y colector. La corriente de colector se encuentra al observar la figura 2.8(b):

(2.2)

Cambiando las ecuaciones (2.1) y (2.2), se encuentra la corriente de emisor,

Y resolviendo para la corriente de base,

(2.3)

Se puede eliminar iE de la ecuación (2.3) rescribiendo la ecuación (2.2) como

Por ultimo, esto se sustituye en la ecuación (2.3) para obtener una relación entre iB, iC e ICBO:

(2.4)

La ganancia de corriente en base común, a , suele estar entre 0.9 y 0.999. Por tanto, el inverso se puede aproximar a la unidad, dando así

Beta (b ) se utilizó antes para definir la razón entre cambios de corriente de colector y cambios de corriente de base. Esto es,

Por tanto, se diferencia la ecuación (2.4) y se reacomodan los términos.

Los valores típicos de b se hallan entre 10 y 600. Haciendo la sustitución para b , se tiene

Por lo general se puede despreciar ICBO, pues es pequeña en magnitud. Por tanto,

(2.5)

El término b se conoce como factor de ganancia a señal grande o factor de amplificación en cd. Por tanto, se vuelve el modelo original simplificado. En la práctica, el valor de b varía con la corriente de base.es:Transistor bipolar