Download El símbolo de un transistor NPN.

CÓMO FUNCIONA EL
TRANSISTOR
Principios de Funcionamiento
Un transistor se puede usar como
amplificador o como conmutador. En
la fig. 1 se puede ver una aplicación típica
de amplificación: un transistor NPN que
amplifica la corriente proveniente de un
micrófono para poner en funcionamiento
un
altavoz.
Hablando ahora en términos de corriente
electrónica, el micrófono convierte la
potencia de las ondas sonoras en ondas
de corriente eléctrica.
El micrófono bombea electrones de la base (región P) del transistor. Cuando no hay
ninguna onda sonora que ponga en marcha el micrófono, el transistor bloquea la corriente
que la batería envía al circuito de trabajo. Pero cuando los electrones se extraen de la
región P al micrófono, una cantidad de ellos, mucho mayor, aunque proporcional, fluye
del emisor al colector y prosigue a través del circuito hasta el altavoz.
Asimismo, se recordará que el transistor es necesario, porque la corriente que produce el
micrófono es tan pequeña que no puede poner en funcionamiento el altavoz. Es necesaria,
por tanto, una potencia mayor, que se obtiene del alimentador, una batería en este caso. El
transistor regula el flujo de electrones que proviene de la batería y produce una copia
amplificada de la señal del micrófono, mucho más débil.
Basándonos en lo que se ha dicho respecto a los diodos, se puede entender que este
proceso de amplificación se debe al movimiento de los electrones libres y a las
lagunas positivas del material semiconductor del transistor. Veremos enseguida cómo
sucede. Recordemos ahora cómo funciona un transistor en el otro tipo de aplicación: la
conmutación.
En la fig. 2 se puede ver la aplicación, ya
familiar, de un transistor conmutador: un
sistema telegráfico en transmisión y
recepción. Se recordará que el interruptor
del circuito de control produce los puntos
y las rayas, pero el cable que une el
interruptor y el receptor tiene una
resistencia tan grande que la señal del
circuito de control llega demasiado débil
para poner en funcionamiento al avisador
automático.
A medida que el circuito de control bombea los electrones fuera de la región P, va bajando
la tensión electrónica de la base hasta que llega por debajo del umbral de conmutación.
Entonces, el transistor “se pone a conducir” una gran cantidad de electrones que provienen
del alimentador y que ponen en marcha el avisador automático.
¿Qué es el “umbral” que acabamos de mencionar? La tensión umbral de un transistor de
silicio es, aproximadamente, igual a la de un diodo de silicio y su valor es de unos 0,6 V.
Cuando se extraen bastantes electrones de la región P, los suficientes como para producir
una diferencia de tensión directa de unos 0,6 V en los bornes de la unión emisor-base, el
transistor alcanza el estado de conducción siempre que se sigan retirando electrones de la
base, de forma que por el circuito de trabajo pueda circular una corriente
proporcionalmente mayor.
Diferencia entre un transistor conmutador y un amplificador
Ciertos transistores están construidos de tal manera, que funcionan mejor como
conmutadores, y otros como amplificadores. Sin embargo, en caso de necesidad, la
mayoría de los transistores se pueden usar tanto para conmutar como para
amplificar.
No es, por tanto, el transistor en sí el que decide si tiene que conmutar o amplificar,
sino el circuito de control, es decir, el dispositivo que controla el transistor y que
determina que funcione de una u otra manera.
Cómo funciona el transistor unijuntura (o de unión)
La unión PN asimétrica
Un punto de partida conveniente para el análisis y la comprensión del
funcionamiento del transistor es recordar cómo se produce un flujo de corriente en
una unión PN directamente polarizada
Consideremos ahora el caso de tener una
concentración asimétrica de portadores de
carga. Supongamos que se tiene una alta
concentración de lagunas en la región de
tipo P y una baja concentración de
electrones en la de tipo N. Esta situación
aparece representada en la fig. 3a.
Si aplicamos una polarización directa,
las lagunas que provienen de la región
P atravesarán la unión hacia la región
N. Al entrar en la región de tipo N
solamente se encuentra una pequeña
cantidad de electrones y, por eso,
recorrerán una gran distancia hasta
que se hayan recombinado todos.
En el mismo tiempo, los electrones, que atraviesan la unión desde la región N a la de
tipo P, encontrarán una alta concentración de lagunas y, por esta razón, se
recombinarán velozmente sin alejarse de la unión. La distribución de las corrientes
de lagunas y de electrones es la de la fig. 3b.
Se puede ver que en las proximidades de la unión, toda la corriente está constituida por el
flujo de las lagunas de la región P (de alta concentración) con sólo una pequeña corriente
de electrones de la región N (de baja concentración). Se dice que existe una inyección de
lagunas y la corriente total que atraviesa la unión recibe el nombre de eficiencia de
inyección y, en uniones asimétricas, puede alcanzar valores muy elevados, del orden del
99%.
En la región N, cerca de la unión, se tiene que la mayor parte de la corriente se debe a un
flujo de lagunas que, después de atravesar la unión, se convierten en esta región en
portadores minoritarios.
A la distancia media que recorren los portadores minoritarios antes de recombinarse se
llama longitud de difusión, y su valor depende de la movilidad y del tiempo de vida de los
portadores minoritarios del material semiconductor. Generalmente, es inversamente
proporcional a la concentración de portadores mayoritarios del material. Por eso, como se
puede ver en la fig. 3, la longitud de difusión de las lagunas en la región N de baja
concentración es mayor que la de los electrones en el material tipo N de alta
concentración.
Si reducimos la longitud de la región N
dejándola en un valor muy pequeño,
bastante inferior al de la longitud de
difusión de las lagunas, fig. 4a, solamente
una pequeña parte de las lagunas
inyectadas en la región de tipo N se
recombinará antes de alcanzar el terminal
metálico, donde las que lleguen serán
reemplazadas por los electrones que
provienen del circuito externo. En la fig.
4b se pueden apreciar los flujos de
lagunas y de electrones a través de la
estructura. Es importante observar que la
corriente que atraviesa la fina región de
tipo N está constituida casi totalmente por
un flujo de lagunas, que son los
portadores minoritarios en esa zona.
El efecto transistor
Si introducimos ahora otra unión PN, disponemos de una segunda región de tipo P a
la derecha de la fina de tipo N, como se ve en la figura 5a. Ahora polaricemos
inversamente esta segunda unión. Si la primera unión continúa polarizada
directamente, la corriente que la atraviesa está constituida principalmente por el
flujo de lagunas, como se ve en la fig. 4.
Las lagunas se difundirán a través de la primera unión y, por lo tanto, atravesarán la
región central de tipo N como portadores minoritarios. Algunas lagunas, sobre la
marcha, se recombinarán con los electrones. Pero debido a que la longitud de la
región de tipo N es pequeña en comparación con la longitud de difusión de las
lagunas, sólo una pequeña parte de ellas se recombinará antes de que el flujo alcance
la región de carga espacial de la segunda unión PN. La energía potencial que hay en
los extremos de esta región de carga espacial, debida a la polarización inversa, es
suficiente para arrastrar las lagunas (portadores minoritarios) a través de la unión
de la segunda región de tipo P.
Como el flujo a través de la segunda
unión está bajo la influencia de un campo
eléctrico, es un flujo de desvío. Una vez
que han llegado a la segunda región de
tipo P, las lagunas se convierten en
portadores mayoritarios y se dirigen hacia
el terminal negativo. La fig. 5b muestra el
paso de la corriente de lagunas por la
estructura.
Esta transferencia de lagunas positivas
de la primera región P, a través de una
estrecha región de tipo N y una unión
inversamente polarizada, a una
segunda región de tipo P es lo que se
llama efecto transistor.
La corriente de lagunas que fluye a través de la segunda región de tipo P es sólo
ligeramente inferior a la inicial que fluye a través de la primera región de tipo P.
Por eso, aplicando una pequeña tensión, se puede producir una corriente en un
circuito de baja resistencia (la primera unión PN, directamente polarizada) y, por lo
tanto, hacer que esta corriente fluya a través de un circuito de alta resistencia (la
segunda unión PN, inversamente polarizada), teniendo, de esta forma, la posibilidad
de obtener una alta tensión de salida y una amplificación de potencia.
Requisitos de la estructura de un transistor







La concentración de portadores en la región del colector debe ser baja para
poder obtener una alta tensión de breakdown de avalancha de la unión de
colector, es decir, que la resistividad de la región del colector debe ser alta.
La concentración de portadores en la región de la base debe ser alta en
comparación con la del colector, para estar seguros de que la región de carga
espacial se extiende principalmente en la región del colector; es decir, que la
resistividad de la región de base debe ser inferior a la de la región de colector.
La concentración de portadores en la región del emisor debe ser altísima en
comparación con la región de la base para obtener una alta eficiencia de
inyección; es decir, la resistividad de la región del emisor debe ser bastante
inferior a la de la región de la base.
La anchura de la región de la base debe ser pequeña en comparación con la
longitud de difusión de los portadores minoritarios para que haya una alta
eficiencia de transporte.
La movilidad de los portadores minoritarios en la región de la base debe ser
alta para que pueda haber una alta eficiencia de transporte.
La unión de emisor debe estar directamente polarizada.
La unión de colector debe estar inversamente polarizada.
Funcionamiento
Característica idealizada de un transistor bipolar.
En una configuración normal, la unión base-emisor se polariza en directa y la unión
base-colector en inversa.1 Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor
pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez,
prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que
existe entre la base y el colector.
Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo
compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la
unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando
una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores
generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea,
permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base.
Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana
al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la
base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P,
los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base.
La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los
portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil
del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de
portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de
la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.
Control de tensión, carga y corriente
La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente baseemisor (control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es
debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva
tensión-corriente exponencial usual de una unión PN (es decir, un diodo).
En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es
aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente β
veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la
tensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es β
veces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con
precisión y confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como el
modelo Ebers-Moll.
El Alfa y Beta del transistor
Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones
capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y
el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean
inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La
ganancia de corriente emisor común está representada por
o por hfe. Esto es
aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base
en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante
es la ganancia de corriente base común,
. La ganancia de corriente base común es
aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa
directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98
y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes
relaciones (para un transistor NPN):
Tipos de Transistor de Unión Bipolar
NPN
El símbolo de un transistor NPN.
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y
"P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes
regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son
NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los
"huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de
operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la
"base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base
en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la
dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en
funcionamiento activo.
Ejemplo Práctico de NPN
Transistor NPN
En la imagen, se tiene un transistor de NPN cuyo punto Q de funcionamiento en
continua es desconocido. Se debe calcular dicho punto Q y calcularlo en la RCE.
1º Paso:
Ib = (Vbb - 0,7)/Rb
Reemplazando los datos:
Ib = (5V - 0,7)/500 = 0,0086 mA
2º Paso:
Ic = β.Ib = 100 * 0,0086 = 0,8 mA
3º Paso:
Vce = Vcc - Rc.Ic = 12 - 0,8 * 2 = 10,4 V
En este gráfico se muestra el resultado obtenido, con Vcc/Rc indicando el 6 mA en la recta de la
Intensidad, y Vce indicando la Tensión necesaria para polarizar al transistor
PNP
El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N"
refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor.
Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho
mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
El símbolo de un transistor PNP.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N
entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente
operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente
de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente
circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el
emisor hacia el colector.
La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección
en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en
funcionamiento activo.
Regiones operativas del transistor
Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas
principalmente por la forma en que son polarizados:

Región activa 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 maxima, (Ic ≈ Ie = Imax)
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=Ic·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.
Como se puede ver, la región activa es útil para la electrónica analógica (especialmente útil
para amplificación de señal) y las regiones de corte y saturación, para la electrónica digital,
representando el estado lógico alto y bajo, respectivamente.
Historia
Replica del primer transistor.
El transistor bipolar fue inventado en Diciembre de 1947 en la Bell Telephone Company
por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley. La versión de
unión, inventada por Shockley en 1948, fue durante tres décadas el dispositivo favorito en
diseño de circuitos discretos e integrados. Hoy en día, el uso de BJT ha declinado en favor
de la tecnología CMOS para el diseño de circuitos digitales integrados.