El Transistor Bipolar ESTRUCTURA FÍSICA. TÉRMINOS Y SÍMBOLOS.

A diferencia de los diodos, los transistores son dispositivos semiconductores de tres terminales. El principio básico de su operación es la posibilidad de controlar, mediante la tensión entre dos de esos terminales, la intensidad que para a través del tercero. Esta circunstancia se puede utilizar para generar fuentes de intensidad controladas por tensión, base del funcionamiento de los amplificadores de señal. Además, se pueden utilizar para regular el paso o no de corriente, es decir, como un conmutador real. Desde este punto de vista, su funcionamiento es básico en circuitos digitales.

Un transistor bipolar de unión es un dispositivo semiconductor compuesto por tres regiones, como se muestra en la Fig. 3.1. Cada una de las tres regiones se obtiene dopando con impurezas adecuadas (aceptoras o dadoras) un substrato de material semiconductor intrínseco. El dopado de la región de emisor (n) es superior al de la región de colector, y del mismo tipo. La base también se encuentra débilmente dopada con impurezas de tipo p. La anchura de esta región de base es reducida.

Se pueden identificar dos uniones PN. En primera instancia podría interpretarse que un transistor bipolar funciona de forma equivalente a dos diodos enfrentados. Sin embargo, se verá como no es así. Se pueden encontrar dos tipos de transistores bipolares en función del tipo de material utilizado para las tres regiones semiconductoras. En la Fig. 3.3 se muestra su disposición. En el análisis que se desarrollará continuación se hará hincapié en la estructura NPN, aunque el comportamiento de la PNP es dual.

En un transistor bipolar, o BJT (Bipolar Junction Transistor) se distinguen tres terminales externos.

EMISOR: Terminal externo que suele estar más fuertemente dopado de impurezas (n). BASE: Terminal intermedio que se conecta a la región central, dopada con impurezas tipo p. Suele ser la región menos dopada de las tres, y la más estrecha. COLECTOR: Extremo opuesto al emisor, del mismo tipo de dopado, pero con menor concentración de impurezas n.

Se identifican las uniones Base-Emisor (BE) y Base-Colector (BC). Asociada a esta estructura se definen variables eléctricas de tensión e intensidad del modo indicado en la Fig

Como criterio general, las intensidades iC , iB e i E son consideradas positivas según el sentido asociado en la Fig. 3.4. Según este criterio, se cumplirá que i C +i B = i E . v BC es la tensión de la unión PN base-colector.

La conducción asociada a dicho diodo dependerá por tanto, del signo y valor de dicha tensión. La tensión vBE controla, de modo similar, la tensión del diodo PN base emisor. Un transistor PNP funciona de forma similar, con la definición de sus terminales, variables y símbolos, tal como se muestra en la Fig. 3.5. 3.2. CARACTERÍSTICAS ESTÁTICAS DEL TRANSISTOR BIPOLAR. A continuación se va a determinar el funcionamiento del transistor NPN en condiciones estáticas, es decir, considerando la relación existente entre sus variables de tensión e intensidad cuando todas ellas permanecen constantes en el tiempo. El análisis a realizar supone cuatro condiciones posibles, función de la polaridad de v BE y v BC . Considerando un modelado ideal de las tensiones en las uniones, se supondrán las condiciones de la Tabla 3.1.

Activa Directa

Activa Inversa

Saturación

Corte

El funcionamiento del transistor bipolar no se ajusta al modelado con dos diodos enfrentados. A continuación se detalla el comportamiento en las diferentes regiones de operación.

Estas condiciones de polarización se representan en la Fig. 3.6. La situación

para el transistor PNP es dual. En estas condiciones de polarización, el diodo PN base-emisor está conduciendo

(polarizado directamente), mientras que el diodo base-colector está cortado (polarizado en la región inversa). El comportamiento que se puede deducir de esta situación es que la intensidad de emisor es elevada, al estar la unión BE inyectando portadores, mientras que la intensidad de colector es muy pequeña, al estar la unión BC en corte, Fig. 3.7. Sin embargo, esta situación no se plantea, y la intensidad de colector es elevada (i C ). Este estado se alcanza como consecuencia de la disposición de las corrientes de portadores que se representa en la Fig. 3.7 En ella se aprecia como, en la unión base-emisor, los e - (portadores mayoritarios en el emisor) son inyectados desde el emisor a la base, y los huecos (portadores mayoritarios en la base) son inyectados desde la base al emisor. La concentración de impurezas en el emisor es muy superior, respecto de la base, lo cual hace que la corriente dominante en la interfase emisor-base sea la de los electrones. Estas

cargas, al atravesar la unión base-emisor, se difunde en la base, tendiendo a atravesar la región de base. La mayoría de estos e - consigue atravesar la región de base, y solo unos pocos se recombinan en la misma. Este fenómeno consiste en la neutralización de una carga negativa (e - ) con una positiva (p + ) al interactuar entre si. De este modo, los electrones que llegan a las proximidades de la unión base-colector “ven” un campo eléctrico que los atrae hacia la región de colector. Este campo eléctrico es, si cabe, más intenso, como consecuencia de la polaridad negativa de la unión base-colector. Como conclusión, la gran mayoría de los electrones que han sido emitidos desde el Emisor, son recolectados en el Colector, y solo algunos se recombinan en la Base. Para compensar esta corriente de recombinación, la intensidad de base tomará un valor positivo (huecos penetrando hacia la base). Como conclusión, podríamos resumir el comportamiento en zona activa directa en el siguiente cuadro.

El parámetro β se denomina ganancia de corriente a emisor común. Su valor aproximado para transistores actuales se sitúa entre 50 y 200. Puede observarse la definición de β como,

B) ZONA ACTIVA INVERSA:

La situación respecto del comportamiento de los portadores de carga es

similar a la descrita en el apartado A), o zona activa directa. En este caso, el terminal de emisor haría las funciones de colector y el terminal de colector de emisor, respectivamente. El comportamiento, en realidad no es simétrico puesto que el dopado de las regiones de emisor y colector no es, en general, el mismo, dando lugar a concentraciones de portadores de carga libre (e-) muy superiores en el emisor que en el colector, destinados a favorecer la conducción en la región activa directa. A pesar de que es posible definir los coeficientes a y β en la región activa inversa, la utilidad de esta región de operación es reducida frente a las correspondientes de la región activa directa (ZAD).

C) ZONA DE SATURACIÓN:

Se caracteriza porque ambas uniones se encuentran polarizadas

directamente. Ambas uniones conducen e inyectan portadores mayoritarios en la región de base. En esta región ya no es válida la relación iC = β iB . Los valores de iB son más elevados que los correspondientes a las regiones activas directa e inversa, ya que iB alimenta la corriente de minoritarios a través de las uniones BC y Be, y la recombinación de los mayoritarios en la base. La corriente de colector

es también elevada. Las dos uniones PN están conduciendo, de modo que las tensiones a través de las mismas son prácticamente constantes. Este factor condiciona la tensión colector-emisor, fijándola a un valor constante dado por,

(3.7) en donde se han tomado, vBC (sat)~0.8V y vBC (sat)~0.6V. D) ZONA DE CORTE:

Se caracteriza porque ambas uniones se encuentran polarizadas en inversa.

Las uniones son atravesadas por portadores minoritarios, generando corrientes muy pequeñas derivadas de las intensidades inversas de saturación en ambas uniones (I se , I sc ).

Dentro de las principales aplicaciones de los transistores bipolares encontramos: 1) Electrónica analógica en general: amplificación, osciladores, filtros,

transconductores, y en general, implementación de circuitos analógicos. Se aprovecha fundamentalmente el comportamiento del transistor bipolar en la región activa directa, en la que posee una determinada relación de ganancia (tensión o intensidad)

2) Electrónica digital: Realización de puertas lógicas, para lo cual se aprovecha el funcionamiento del transistor bipolar en conmutación. Se aprovecha el funcionamiento en corte y saturación (circuito abierto y cortocircuito).

3) Electrónica de potencia: Como amplificador en gran señal (ZAD) y como interruptor real, en convertidores de energía eléctrica.

3.3: CONFIGURACIONES DEL TRANSISTOR BIPOLAR. Para encontrar una representación del transistor bipolar en términos de sus variables eléctricas se va a utilizar el concepto general de representación BIPUERTA. Se dice que un circuito admite una representación bipuerta si es posible identificarlo mediante una puerta de entrada y otra de salida. Los pares de variables (V i ,I i )(V o ,I o ) están asociados a las variables de tensión e intensidad en la entrada y la salida respectivamente. En el caso del transistor bipolar, al tener tres terminales, estos se pueden combinar para obtener tres representaciones del tipo bipuerta: Tomando la base como terminal de referencia (base común, BC), tomando el colector como terminal de referencia (colector común, CC) y tomando el emisor como terminal de referencia (emisor común, EC). Las tres aparecen representadas en la Fig. 3.16. En función del contexto, cada una de estas descripciones tendrá mayor o menor utilidad. La configuración a Emisor Común es la más utilizada, por lo que de aquí en adelante se adoptará para la descripción del transistor BJT. En este contexto, quedan justificadas las nomenclaturas: ganancia a base común (=i C /i E ) y ganancia a emisor común (=i C /i B ), anteriormente utilizadas. La caracterización de cada una de estas representaciones en términos de tensiones e intensidades se deberá realizar en base al funcionamiento interno del transistor. Al igual que ocurriera con el diodo de unión PN, estas relaciones tensión-intensidad son complejas, y conducen a modelos con ecuaciones de dificil manejo para cálculos a mano. Por esta razón, en el apartado anterior se han obtenido modelos simplificados, derivados de la abstracción del comportamiento real del dispositivo, que a la postre permiten simplificar los cálculos, reteniendo el funcionamiento básico del componente.

3.5: EL TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR. Los transistores se encuentran dentro de los denominados elementos activos, ya que, bajo determinadas condiciones, son capaces de entregar a una carga una potencia mayor que la que absorben a su entrada. La aplicación de esta propiedad permite la utilización del transistor bipolar como amplificador de señal o de ganancia de tensión, es decir, un BJT es capaz de amplificar una señal alterna de entrada dando lugar a una señal de alterna a la salida de mayor amplitud. Este razonamiento no contradice el principio de conservación de la energía, ya que la energía entregada ala carga procede de la fuente de alimentación. El amplificador se encarga de transformar la energía procedente de una señal de continua, en otra de alterna. Para operar como amplificador el BJT ha de estar polarizado en la región activa directa. Los elementos de polarización deberán ser seleccionados para garantizar el funcionamiento en esta región (resistencias, fuentes). El principio de operación del transistor como amplificador se basa en el concepto de pequeña señal, y exige que en todo el rango de señal, el BJT no pase a corte o saturación. La configuración más simple de amplificador que podemos encontrar es la mostrada en la Fig. 3.29. En ella aparecen dos resistencias (colector y base). La entrada del circuito tiene dos componentes: V I , en gran señal para la polarización del transistor, y v i ,en pequeña señal, que es la tensión que se desea amplificar. Para analizar el comportamiento como amplificador es necesario: 1) Localizar el punto de trabajo, Q. 2) Realizar un análisis en pequeña señal en Q.

1) PUNTO DE TRABAJO, Q: Las coordenadas del punto Q dependen de los parámetros de la red de polarización: R B , R C , ?y V I . La resistencia R B se suele tomar para localizar Q en una región intermedia entre corte y saturación que optimice el rango de operación. No debe ser excesivamente baja para evitar que entre en saturación. La resistencia de colector define la pendiente de la recta de carga en las curvas de salida. A mayor pendiente, mayor excursión de tensión para los mismos niveles de intensidad de colector, lo cual equivale a mayor ganancia en tensión. No obstante, para un valor de R C demasiado elevado, el transistor se puede colocar en saturación. 2) ANALISIS EN PEQUEÑA SEÑAL Parte de que el BJT se encuentra polarizado en el punto Q situado en la zona activa directa. Se consideran nulas las polarizaciones de continua (DC) y se analiza el comportamiento del circuito excitado exclusivamente por las señales de alterna de entrada (v i ). De este modo, se calculan las oscilaciones de las variables sobre el punto de operación.

El valor de la ganancia depende de las coordenadas del punto de operación (I C/V T ). Esto quiere decir que la red de polarización (V CC , R B y R C ) influyen indirectamente en la ganancia del amplificador. Asimismo, para mayores cargas (R C ) mayor ganancia en tensión. El signo negativo procede de la inversión de señal a la salida (amplificador inversor).

bbe

beC

BE

CV Rr

rR

V

IA

+−≅ ..