El Transistor BJT 1/11
1. Introducción
Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales donde la señal en uno de los terminales controla la señal en los otros dos. Se construyen principalmente de Silicio o Germanio.
Se utilizan en la amplificación de señales, fuentes de poder reguladas y como switches o interruptores.
Se tienen varios tipos de transistores, los cuales se pueden ubicar en dos grupos:
BJT: Transistor Bipolar de Unión FET: Transistor de Efecto de Campo
Este tema abarca básicamente el uso del transistor BJT como amplificador de señales.
2. Transistor BJT
El transistor bipolar de unión (BJT, por sus siglas en ingles: Bipolar Junction Transistor) es también conocido como transistor de unión. Como su nombre lo indica, es un dispositivo de tres terminales, dos uniones y doble polaridad.
Está formado por la unión de material tipo P y tipo N a manera de capas, dando así la clasificación del BJT en NPN y PNP, tal como muestra la figura 1.
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N P N
E C
B
BJT NPN
P N P C E
B
BJT PNP
Figura 1
A cada capa se le asocia un terminal, y reciben los nombres de:
E → Emisor B → Base C → Colector
Las capas de los extremos (de mayor espesor) corresponden a los terminales E y C. La capa central, de menor espesor, corresponde al terminal B.
La capa asociada al terminal Emisor posee el mayor nivel de impurezas, lo que indica alta conductividad debida a los portadores mayoritarios. La capa asociada al terminal Colector está menos dopada que la capa Emisor, por lo cual es un poco menos conductiva que esta última. La capa asociada al terminal Base posee un ligero nivel de
El Transistor BJT 2/11
impurezas, lo que indica que esta capa tiene una alta resistencia para los portadores mayoritarios, es decir, es una capa de baja conductividad.
3. Operación del BJT
a operación del transistor se logra con la polarización de cada unión PN o NP del
Tabla 1 Polarización
L
dispositivo. Dependiendo del tipo de polarización (directa o inversa) de cada unión, se tendrá al transistor operando en una zona de trabajo específica de acuerdo a la tabla 1.
Unión B-C
de
Operación Zona Características E-B Unión
Directa Inversa Activa Vsal > 0 , Isal > 0 Inversa Directa Invertida Vsal < 0 , Isal < 0
Directa Directa Saturación Vsal ≈ 0
Inversa Inversa Corte Isal ≈ 0
VEE VCC
VEE y VCC fuentes para polarización de las uniones BJT PNP
P N P
E C
B
a ubicación del transistor en la zona activa, permite el uso del dispositivo como
Operación del BJT en la Zona Activa 1. BJT PNP en la Zona Activa
a polarización de las uniones en un transistor BJT PNP se muestra en la figura 2.
Figura 2
a unión E-B está polarizada directamente y la barrera de potencial en la unión es L
amplificador de señales, por tal razón se hará énfasis en esta zona de operación.
4.
4.
L
L
estrecha, lo que permite la conductividad debida a los portadores mayoritarios del material tipo P al material tipo N, tal como muestra la figura 3.
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El Transistor BJT 3/11
BJT PNP
VEE
P N P IPORMAY
E C
B
VCC
Figura 3
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BJT PNP
VEE
P N P IPORMAY
E C
B
VCC
Ipormin
a unión B-C está polarizada inversamente y no hay conducción debido al flujo de
Figura 4
n vista de que la capa asociada al terminal Base tiene muy baja conductividad, muy
e puede resumir entonces que en un BJT PNP la conductividad (corriente) se presenta L
portadores mayoritarios, pero si se presenta un flujo de portadores minoritarios del material tipo N al material tipo P, tal como indica la figura 4.
E
pocos portadores mayoritarios irán hacia ese terminal. La mayor parte de los portadores mayoritarios que vienen de la unión E-B, al llegar al material tipo N de la unión B-C se convierten en portadores minoritarios que provocan la conductividad en esta unión polarizada inversamente.
S
desde el terminal Emisor hacia el terminal Colector con una muy baja corriente hacia el terminal Base. La figura 5 ilustra las corrientes en el BJT PNP.
BJT PNP
Figura 5
VEE
P N P IPORMAY
E C
B
VCC
Ipormin
IB
IE IC
El Transistor BJT 4/11
B
E C
BJT PNP
B
C
E BJT NPN
odo esto permite establecer una ecuación para las corrientes en un BJT PNP:
IE = IB + IC
2. BJT NPN en la Zona Activa
n el BJT NPN el sentido de las corrientes a través del dispositivo lleva el sentido
a corriente en un BJT NPN se presenta de Colector a Emisor con muy poca corriente a
IE = IB + IC
Símbolo Circuital del BJT
l símbolo circuital para el BJT NPN y el BJT PNP es similar, diferenciándose entre
Figura 7 T
4.
E
contrario al del BJT PNP. La figura 6 muestra la polarización de las uniones, el efecto sobre la barrera de potencial de cada unión, el flujo de portadores, así como también el sentido de las corrientes en el dispositivo.
BJT NPN I
VEE
N P N
PORMAY
E C
B
VCC
Ipormin
IB
IE IC
Figura 6 L
través del terminal Base, pero observando la figura 6, se puede concluir que en un BJT NPN se sigue cumpliendo la ecuación de corrientes del BJT PNP, por lo cual la ecuación se conoce en general como: “Ecuación de corrientes del BJT”.
5.
E
ellos por el sentido de la corriente en cada dispositivo. La figura 7 muestra los símbolos del BJT.
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6.
Vi A Vo
Vo
t Vi
t
Relación entre las Corrientes en el BJT
a ecuación de corrientes en el BJT es: IE = IB + IC , La corriente IB es muy pequeña,
IE >> IB e IC >> IB
La relación entre las corrientes en el BJT indican que el mismo es un dispositivo
Configuración del BJT como Amplificador de Señales
n amplificador es un dispositivo que eleva o aumenta la magnitud de una señal de
Figura 8
n el amplificador las señales son medidas con respecto a un punto común y en vista
ependiendo del terminal que se tome común a los otros dos, se tendrá una L
debido a la baja conductividad de la capa Base, lo que hace que IE ≈ IC con IE > IC , por los niveles de impurificación de las capas Emisor y Colector. Entonces:
controlado por corriente, ya que una corriente muy pequeña (IB) controla una corriente mayor (IE, IC), lo que permite expresar al dispositivo como un amplificador de señales.
7.
U
entrada sin modificar su forma de onda. (Ver figura 8)
E
de que el transistor es un dispositivo de tres terminales, su uso en los amplificadores requiere que uno de sus terminales sea común a los otros dos.
D
configuración específica del transistor para su uso como amplificador. Estas configuraciones son:
Configuración Base Común Configuración Emisor Común Configuración Colector Común 1. Configuración Base Común
ara la configuración de base común con transistores pnp y npn, la terminología de la
a figura 9 muestra un transistor BJT NPN en configuración base común.
7.
P
base común se deriva del hecho de que la base es común tanto a la entrada como a la salida de la configuración. A su vez, por lo regular la base es la terminal más cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra.
L
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B
E C
VBE VCB
Entrada IE IC Salida
IB
Configuración Base Común – BJT NPN
Figura 9
Existe una relación de proporcionalidad entre la corriente de salida (IC) y la corriente de
l valor de α se evalúa en c.c., es decir para voltaje de salida constante como:
entrada (IE) en la configuración base común: IE ≈ IC. La relación de proporcionalidad entre estas dos corrientes viene dada por el factor de amplificación de corriente de base común (α).
E
E C
= I α I
omo IE > Ic , α ≈ 1 y < 1.
sta configuración no produce ganancia de corriente, pero si de tensión. En la
2. Configuración Emisor Común
La configuración de transistor que se encuentra más a menudo aparece en la figura 10 C
E
configuración base común, los valores de corriente de salida, “amplificación”, o mejor dicho es “reducción” siempre son menores a 1 (No quiere decir que tendremos corrientes de 1 A, sino que la corriente de colector base será menor a la corriente de emisor base ejemplo IE = 7 puede originar una corriente IC = 6.9, siendo la entrada de señal en el emisor y el colector la salida, VCB, la cual está en fase con respecto a la entrada VEB.
7.
para los transistores pnp y npn. Se le denomina configuración de emisor común debido a que el emisor es común o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es común tanto a la terminal de base como a la de colector).
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B
E C
VBE VCE
Entrada Salida
IC
IE IB
Configuración Emisor Común – BJT NPN
Figura 10
a relación de proporcionalidad entre la corriente de salida (IC) y la corriente de entrada
l valor de β se mide en c.c. para un punto de operación estático del transistor (salida L
(IB) en la configuración emisor común viene expresada por el factor de amplificación de corriente de emisor común (β).
E
fija) como:
B C
= I β I
l valor de β puede relacionarse con el valor de α a partir de la ecuación de corrientes
I I I E
del BJT.
B C
E = +
αC IE = I
y
β
C
IB = I
Sustituyendo los valores de IE e IC en la ecuación de corrientes se tiene:
β α
C C C =I + I I
β α =1+
1 1
Con lo que:
+1
= β
α β y
α β α
= − 1
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Además con el valor de β y la ecuación de corrientes del BJT se puede determinar el valor de IE como:
B C
E I I
I = +
B
C I
I =β
B
E I
I =(β+1)
La configuración emisor común puede utilizarse para amplificación de voltaje, corriente o potencia, además de poder actuar como interruptores.
No se puede decir que una configuración es mejor que la otra, depende del uso que se le quiera dar, aprovechando sus particulares características, en esta configuración por una corriente pequeña de entrada se obtiene una corriente enorme de salida ejemplo para 10uA de entrada se obtiene 1 mA de salida, pero no se tiene la estabilidad de la configuración base común donde las corrientes son muy similares.
Por otro lado, esta configuración tiene una salida desfasada con respecto a la entrada.
7.3. Configuración Colector Común
En la configuración de colector la amplificación de corrientes es similar a la que realiza la configuración emisor común con la diferencia de que en la configuración colector común la salida está en fase con la entrada. La ganancia de voltaje es ligeramente menor que la unidad. Se caracteriza por tener una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo que permite el uso de esta configuración como convertidor de impedancias y como aislador. La figura 11 muestra una configuración del BJT NPN en colector común. Obsérvese que el colector se encuentra conectado a la tierra aunque el transistor esté conectado de manera similar a la configuración del emisor común.
Configuración Colector Común – BJT NPN
E B
C
VBC VEC
Entrada Salida
IC
IE IB
Figura 11
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8. Curvas Características del BJT
El comportamiento del BJT se representa gráficamente a través de dos curvas: Curva de entrada y Curvas de Salida. Estas curvas características del BJT son propias de cada configuración.
La curva de entrada relaciona la corriente de entrada con el voltaje de entrada para mostrar gráficamente el voltaje de salida. La figura 12 muestra una curva de entrada general.
ientrada
isalida
vsalida
ientrada1≈0 ientrada2
ientrada3
ientrada n
ientrada n-1
vsalida
ventrada (V) ventradaQ
Figura 12
Las curvas de salida, relaciona la corriente de salida con el voltaje de salida para los diferentes valores de corriente de entrada constante. Cada curva de salida corresponde a una curva de corriente de entrada constante. La figura 13 muestra un juego de curvas de salida general.
Figura 13
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9. Límites de Operación del BJT
En las curvas de salida del transistor BJT se pueden identificar las zonas de operación del transistor: corte, saturación, activa e invertida; tal como indica la figura 14, donde se muestra el juego de curvas de salida para un BJT en configuración Emisor Común.
iC
Vce Pdmax
Pd1 S
A T U R A C I O N Icmax
ICBO
VCEsat VCEO
CORTE
ACTIVA
INVERTIDA
Figura 14
Zona de Corte: Esta zona se caracteriza por tener una corriente de salida en el transistor aproximadamente cero, por lo que en esta zona el dispositivo actúa como circuito abierto (útil en interruptores). Está limitada por el valor de ICBO, que indica el tope de la zona de corte.
Zona de Saturación: En esta zona el transistor presenta un voltaje de salida aproximadamente cero, por lo que puede representarse como un corto circuito para esta condición (útil en interruptores). La zona de saturación se limita para valores de salida del transistor por debajo del voltaje de saturación, en este caso VCEsat, el cual es un valor suministrado por el fabricante en las hojas de datos del dispositivo.
Zona Activa: Se define también como la zona lineal de la característica, y por ello el transistor se ubica aquí para su uso como amplificador de señales aprovechando las propiedades de la linealidad en el análisis circuital. La salida del transistor tanto en corriente como el voltaje son valores positivos los cuales se mantienen constantes sobre una curva de entrada seleccionada. La zona activa está limitada en cuanto a voltaje para valores de voltaje de salida del transistor, en este caso VCE, para:
VCEsat<VCE<VCEO, donde VCEO es suministrado en las hojas de datos e indica el máximo voltaje de salida que puede obtenerse del transistor sin salir de la zona lineal. En cuanto a corriente el valor de ICBmax dado por el fabricante indica el tope de la zona activa.
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Zona Invertida: La zona invertida permite tener salidas negativas en el transistor tanto en corriente como en voltaje. La ubicación del transistor en esta zona no tiene gran utilidad en la amplificación de señales.
La figura 14 muestra otro juego de curvas tipo hipérbola, estas curvas limitan la operación del transistor con respecto a los niveles de potencia disipada por el dispositivo (Pd).
10. Especificaciones del Fabricante
Al igual que para el diodo, para el transistor se especifica una hoja de datos con varios parámetros característicos del dispositivo. Entre estos parámetros los más utilizados son:
VCEO: Máximo voltaje de colector a emisor en la zona lineal.
VBEO: Máximo voltaje de base a emisor.
ICBO: Máxima corriente en la zona de corte.
ICBmax: Máxima corriente de colector a base en la zona lineal.
Pdmax: Potencia máxima disipada por el dispositivo.
Tjmax: Temperatura máxima permitida en cada unión del BJT.
TCO: Máxima temperatura en la carcaza del transistor, por debajo de la cual se tiene Pdmax.
β o hfe: Factor de amplificación de corriente en emisor común.
α : Factor de amplificación de corriente en base común.
