El transistor bipolar (página 2)

Del inglés
"Bipolar Junction Transistor"
[BJT]; dispositivo electrónico de estado
sólido consistente en dos uniones PN muy cerca entre
sí, que permite controlar el paso una corriente en
función
de otra.

Se puede tener por tanto transistores PNP
o NPN. Tecnológicamente se desarrollaron antes que los de
efecto de campo o FET.

Los transistores
bipolares se usan generalmente en electrónica analógica.
También en algunas aplicaciones de electrónica
digital como la tecnología TTL o
BICMOS.

Los MOSFET tienen en común con los FET su ausencia de
cargas en las placas metálicas así como un solo
flujo de campo. Suelen venir integrados en capas de arrays con
polivalencia de 3 a 4Tg. Trabajan, normalmente, a menor rango que
los BICMOS y los PIMOS.

Un transistor de unión bipolar está formado por
dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por
una región muy estrecha. De esta forma quedan formadas
tres regiones:

• Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar
  fuertemente dopada, comportándose como un metal.

• 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, que por ser 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

Un transistor bipolar de juntura 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 bipolar de
juntura NPN. Dónde se puede apreciar cómo la
juntura 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 a se acerque mucho hacia la unidad, y por eso,
otorgarle al transistor un gran β.

El transistor bipolar de juntura, 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
a y β en modo inverso sean mucho más pequeños
que los que se podrían obtener en modo activo; muchas
veces el valor de a 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 juntura colector-base antes de que esta colapse. La
juntura colector-base está polarizada en reversa 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 juntura
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 TBJ 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 TBJ 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.

Funcionamiento

En una configuración normal, la unión
emisor-base se polariza en directa y la unión
base-colector en inversa. 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 juntura base-emisor
está polarizada en directa y la juntura base-colector
está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por
ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la
juntura 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 "hoyos" 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 ésta 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 juntura 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 base-emisor (control de
corriente), o por la tensión base-emisor (control de
voltaje). Esto es debido a la relación
tensión-corriente de la juntura base-emisor, la cual es la
curva tensión-corriente exponencial usual de una juntura
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 TBJ con
precisión y confiabilidad, se requiere el uso de modelos
matemáticos del transistor como el modelo
Ebers-Moll.

El Alfa y Beta del
transistor

La proporción de electrones capaces de cruzar la base y
alcanzar el colector es una forma de medir la eficiencia del TBJ.
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 βF o por
hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente contínua
de colector a la corriente contínua de la base en la
región activa directa, y es típicamente mayor a
100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente
base común, aF. 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
Bipolar de Juntura

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.

• PNP :

El otro tipo de transistor bipolar de juntura 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 que la corriente
convencional circula cuando el dispositivo está en
funcionamiento activo.

Transistor Bipolar de
Heterojuntura

El transistor bipolar de heterojuntura (TBH) es una mejora del
TBJ que puede manejar señales
de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un
dispositivo muy común hoy en día en circuitos
ultrarápidos, generalmente en sistemas de
radiofrecuencia.

Los transistores de heterojuntura tienen diferentes
semiconductores para los elementos del transistor. Usualmente el
emisor está compuesto por una banda de material más
larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de
portadores minoritarios desde la base cuando la juntura
emisor-base está polarizada en directa y esto aumenta la
eficiencia de la inyección del emisor. La inyección
de portadores mejorada en la base permite que ésta pueda
tener un mayor nivel de dopaje, lo que resulta en una menor
resistencia. Con
un transistor de juntura bipolar convencional, también
conocido como transistor bipolar de homojuntura, la eficiencia de
la inyección de portadores desde el emisor hacia la base
está principalmente determinada por el nivel de dopaje
entre el emisor y la base. Debido a que la base debe estar
ligeramente dopada para permitir una alta eficiencia de
inyección de portadores, su resistencia es relativamente
alta.

Regiones operativas
del transistor

Los transistores bipolares de juntura tienen diferentes
regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que
son polarizados:

• REGIÓN ACTIVA:

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 TBJ 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 esta 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)

• REGIÓN DE SATURACIÓN:

Un transistor está saturado cuando:

Corriente de colector = corriente de
emisor = corriente máxima,(Ic =
Ie = I máxima)

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. Este
caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo
suficientemente grande como para inducir una corriente de
colector β veces más grande. (Recordar que Ic =
β * Ib)

Teoría y
modelos matemáticos

• MODELOS PARA SEÑALES
  FUERTES

EL MODELO EBERS-MOLL

Las corrientes continuas en el emisor y el colector en
operación normal son determinadas por:

Modelo Ebers-Moll para transistores NPN

Modelo Ebers-Moll para transistores PNP

Dónde:

• IE es la corriente de emisor.

• IC es la corriente de colector.

• aT es la ganancia de corriente directa en
  configuración base común. (de 0.98 a 0.998)

• IES es la corriente de saturación inversa del diodo
  base-emisor (en el orden de 10-15 a 10-12 amperes)

• VT es el voltaje térmico kT / q (aproximadamente 26
  mV a temperatura ambiente ~ 300 K).

• VBE es la tensión base emisor.

• W es el ancho de la base.

La corriente de colector es ligeramente menor a la corriente
de emisor, debido a que el valor de aT es muy cercano a 1,0. En
el transistor bipolar de juntura una pequeña
variación de la corriente base-emisor genera un gran
cambio en la
corriente colector-emisor. La relación entre la corriente
colector-emisor con la base-emisor es llamada ganancia, β o
hFE. Un valor de β de 100 es típico para
pequeños transistores bipolares. En una
configuración típica, una señal de corriente
muy débil circula a través de la juntura
base-emisor para controlar la corriente entre emisor-colector.
β está relacionada con a a través de las
siguientes relaciones:

Eficiencia del emisor:

Otras ecuaciones son
usadas para describir las tres corrientes en cualquier
región del transistor están expresadas más
abajo. Estas ecuaciones están basadas en el modelo de
transporte de
un transistor bipolar de juntura.

Dónde:

• iC es la corriente de colector.

• iB es la corriente de base.

• iE es la corriente de emisor.

• βF es la ganancia activa en emisor común (de
  20 a 500)

• βR es la ganancia inversa en emisor común (de
  0 a 20)

• IS es la corriente de saturación inversa (en el
  orden de 10-15 a 10-12 amperes)

• VT ies el voltaje térmico kT / q (aproximadamente
  26 mV a temperatura ambiente ~ 300 K).

• VBE es la tensión base-emisor.

• VBC es la tensión base-colector.

Modelos para
señales débiles

• MODELO DE PARÁMETRO
  H

Modelo de parámetro h generalizado
para un TBJ NPN.Reemplazar x con e, b o c para las topologías EC, BC y CC
respectivamente.

Otro modelo comúnmente usado para analizar los
circuitos TBJ es el modelo de parámetro h. Este modelo es
un circuito equivalente a un transistor bipolar de juntura y
permite un fácil análisis del comportamiento
del circuito, y puede ser usado para desarrollar modelos
más exactos. Como se muestra, el
término "x" en el modelo representa el terminal del TBJ
dependiendo de la topología usada. Para el modo
emisor-común los varios símbolos de la imagen toman los
valores
específicos de:

• x = 'e' debido a que es una configuración emisor
  común.

• Terminal 1 = Base

• Terminal 2 = Colector

• Terminal 3 = Emisor

• iin = Corriente de Base (ib)

• io = Corriente de Colector (ic)

• Vin = Tensión Base-Emisor (VBE)

• Vo = Tensión Colector-Emisor (VCE)

Y los parámetros h están dados por:

• hix = hie .- La resistencia de entrada
  del transistor (correspondiente a la resistencia del emisor
  re).

• hrx = hre .- Representa la dependencia
  de la curva IB–VBE del transistor en el valor de VCE.
  Es usualmente un valor muy pequeño y es generalmente
  despreciado (se considera cero).

• hfx = hfe .- La ganancia de corriente
  del transistor. Este parámetro es generalmente
  referido como hFE o como la ganancia de corriente
  contínua (βDC) in en las hojas de datos.

• hox = hoe .- La impedancia de salida
  del transistor. Este término es usualmente
  especificado como una admitancia, debiendo ser invertido para
  convertirlo a impedancia.

Como se ve, los parámetros h tienen
subíndices en minúscula y por ende representan que
las condiciones de análisis del circuito son con
corrientes alternas. Para condiciones de corriente continua estos
subíndices son expresados en mayúsculas. Para la
topología emisor común, un aproximado del modelo de
parámetro h es comúnmente utilizado ya que
simplifica el análisis del circuito. Por esto los
parámetros hoe y hre son ignorados (son tomados como
infinito y cero, respectivamente). También debe notarse
que el modelo de parámetro h es sólo aplicable al
análisis de señales débiles de bajas
frecuencias. Para análisis de señales de altas
frecuencias este modelo no es utilizado debido a que ignora las
capacitancias entre electrodos que entran en juego a altas
frecuencias.

DATOS OBTENIDOS DE
LOS MANUALES DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES

BIPOLAR TRANSISTORS

Terms

Number …. The type number of the device

Case …. Case style (sub categories are not
included)

Pol …. Polarity – N=NPN P=PNP

Mat …. Material – G=Germanuim S=Silicon

Vce …. Breakdown voltage; Collector to
Emitter

Vcb …. Breakdown voltage; Collector to Base

IC …. Collector current (in milliamps)

Vces …. Saturation voltage (when transistor is
fully on with specified current IC) (V)

Hfe …. Current gain (minimum and maximum are
shown at specified current IC)

FT …. Frequency Transition – the frequency
where gain falls to unity MHz)

Ptot …. Total power dissipation in milliwatts
(at 25 degrees C)

Use …. The intended purpose – this is not a
specification but a suggestion

• H.F…..High Frequency

• H.C….High Current

• G.P…..General Purpose

• Sw….Switch

• O/P…..Output

• V.H.F…..Very High Frequency

Autor:

Luis Miguel Munayco Candela