El Transistor

El transistor

El transistor, inventado en 1948 en los laboratorios Bell, representa un avance bastante importante en el área electrónica, puesto que este dispositivo al ser desarrollado permitió que sucedieran avances significativos en esta área. Un transistor al igual que un diodo, está compuesto de material TIPO N y TIPO P, los cuales ya vimos en la sección de diodos. La diferencia radica en que están fabricados con dos secciones exteriores de un mismo material, ya sea TIPO N o P, y una sección central del otro material sea TIPO N o TIPO P, esto da lugar a transistores tipo NPN o tipo PNP y otras combinaciones.

Como ya sabemos cómo se conduce la electricidad en los materiales tipo N y P solo vamos a enfocarnos en que Transistor deriva de la palabra inglesa Transfer Resistor (resistencia de transferencia). Esto significa que su resistencia interna varía de acuerdo al voltaje o corriente aplicado en uno de sus terminales. Esta propiedad permite al transistor ser usado como interruptor, amplificador, oscilador.

Los transistores se dividen en dos grupos:

Transistores bipolares, que se conocen como PNP o NPN. Sus tres terminales se llaman Base (B), Emisor (E) y Colector (C).

Transistores de Efecto de campo (FET), que se conocen como de CANAL N o CANAL P. Sus tres terminales se conocen como Compuerta (G), Drenador (D) y Fuente (S). Los FET también se fabrican de unión (JFET) y de compuerta aislada (MOSFET)

De acuerdo a su aplicación los transistores se usan para pequeña señal, potencia, de alta frecuencia, etc. Los encapsulados en los que comúnmente vienen los transistores son TO-5, TO-3, TO-220

Como nota especial podemos decir que los transistores se rigen en su notación para identificarlos de acuerdo al sistema Americano, Europeo y Japonés. Los de sistema americano tienen prefijo por 2N y los diodos por 1N. El sistema europeo tiene prefijo dos letras y un numero, ejemplo BC108, BZ120. El sistema japonés los transistores se identifican por el prefijo 2SA, 2SB, 2SC, etc, seguido de un número. Obviamente algunos fabricantes usan su propia simbología.

Características importantes: a) La base es una región muy estrecha y poco dopada, es decir que tiene muy pocos portadores de corriente, esta estrechez facilita el paso rápido de los electrones desde el emisor al colector, b) la región del emisor está fuertemente dopada y tiene una amplia concentración de portadores mayoritarios, c) la región de colector es sumamente amplia y en comparación a la base tiene alta concentración de portadores minoritarios y pocos portadores mayoritarios en comparación al emisor, por tanto la corriente de fuga de B-C es muy pequeña.

EL TRANSISTOR BIPOLAR COMO AMPLIFICADOR

El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar una gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.

La función básica de un transistor es la amplificación de corriente, para que esto sea posible la unión E-B debe polarizarse en directo y la unión C-B en inverso, es decir la base es positiva respecto al emisor y negativa respecto al colector, esto para un transistor NPN. Para un transistor PNP la situación es inversa.

Debido a que la unión B-E esta polarizada directamente, el voltaje de la batería, obliga a los electrones del emisor N, combinarse con los pocos huecos que hay en la base P (5%), formándose una corriente de base muy débil. El restante 99% de electrones son atraídos por la fuerte tensión inversa de polarización que hay entre base-colector. Los electrones cruzan extensa región N del colector y viajan hacia el polo positivo de la batería creando una corriente de colector muy intensa.

Lo mismo pasa en los transistores PNP pero la corriente tiene un sentido inverso, ya que los portadores mayoritarios con huecos y no electrones. Adicional a esto las polaridades de las tensiones de polarización directa e inversa son las opuestas al caso NPN.

La relación de las corrientes se da por la formula

IE = IB + IC

Y como la corriente de base es tan pequeña se puede afirmar que

IE=IC

La capacidad de un transistor para amplificar corriente se da por los parámetros de ALFA y BETA

Ahora supongamos que la el voltaje Vee aplicado entre la base y el emisor, es variable. Teniendo en cuenta la relación que nos dice que el voltaje de emisor es similar al voltaje de colector, si el voltaje que ingresa por emisor es variables, variable será su salida. El transistor debe estar en capacidad de de aceptar a la entrada una señal pequeña y proveer a la salida una señal de mayor amplitud.

El circuito de la figura presenta la configuración básica en la cual el transistor amplifica una señal (Emisor Común)

CORRIENTES Y TENSIONES

Para el análisis de las distintas corrientes que aparecen en un transistor vamos a considerar un transistor de tipo PNP, que polarizamos tal y como aparece en la figura. Este tipo de polarización será el usado cuando el transistor trabaje en región activa. La unión emisor-base queda polarizada como una unión en directa, y la unión colector-base como una unión en inversa. En la figura también se muestran las principales corrientes (de electrones y huecos) que aparecen en el transistor tras aplicar la polarización indicada en la figura. Se puede observar lo siguiente:

-Entre el emisor y la base aparece una corriente (IEp + IEn) debido a que la unión está en directa

-El efecto transistor provoca que la mayor parte de la corriente anterior NO circule por la base,

Sino que siga hacia el emisor (ICp)

-Entre el colector y la base circula una corriente mínima por estar polarizada en inversa (ICn más una parte ínfima de ICp)

-Por la base realmente circula una pequeña corriente del emisor, más otra de colector, más la corriente de recombinación de la base (IEn+ ICn+ IBr)

Cada una de las corrientes del transistor se puede poner en función de sus componentes de la siguiente forma: 

I_E         =          I_EN       +          I_EP

I_C         =          I_CN       +          I_CP

I_B         =          I_EN       +          I_CN       +          I_BR

PARÁMETROS ALFA Y BETA

En un transistor bipolar uno de los aspectos más interesantes para su análisis y uso es el conocer las relaciones existentes entre sus tres corrientes (IE, IB e IC). En la ecuación I tenemos una primera relación. Otras relaciones se pueden obtener definiendo una serie de parámetros dependientes de la estructura del propio transistor.

Definimos los parámetros α y β (de continua) como la relación existente entre la corriente de colector y la de emisor, o la de emisor y la de base, es decir:

 = I_C / I_E                  =I_C / I_B        

Operando podemos relacionar ambos parámetros de la siguiente forma:



En general el parámetro α será muy próximo a la unidad1 (la corriente de emisor será similar a la de colector) y el parámetro β tendrá un valor elevado (normalmente > 100).

A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener una más que es útil cuando se trabaja con pequeñas corrientes de polarización, en las que el efecto de la corriente inversa que circula entre colector y base puede no ser despreciable:

I_C = I_B + (+1) I_CO

En esta ecuación se ha denominado IC0 a la corriente inversa de saturación de la unión colector base, la cual, en general se puede aproximar por ICn, y corresponde a la corriente que circularía por dicha unión polarizada en inversa si se deja al aire el terminal de emisor.

REGIONES DE FUNCIONAMIENTO

Corte

Es cuando no circula corriente por sus terminales. Se cumple la condición IE=0 ó IE<0. Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión V_BE, es decir que sea cero la corriente de base.

Activa

Es la operación normal del transistor, en donde hay corriente en todas sus terminales y se cumple que la unión base-emisor esta polarizada en directa y la unión colector-base en inversa.

Se considera entonces lo siguiente:

V_BE  = V_Y

I_C=*I_B

Donde V_Y es la tensión de conducción de la unión base-emisor (normalmente 0.6 V)

Saturación 

Sucede cuando la región BE y BC se encuentran polarizados en directa en donde las tensiones V_BE y V_CE suelen tener valores determinados como 0.8v y 0.2V respectivamente. Cuando está en saturación circula corriente por sus tres terminales pero ya no se cumple la relación I_C = *I_B

 V_BE = V_{BE SAT}

V_CE = V_{CE SAT}

EL EFECTO EARLY

Una vez polarizado el transistor en su zona de funcionamiento se pueden producir variaciones no deseadas de las corrientes, debido a variaciones de la tensión colector-base y son consecuencia de la modulación de la anchura de la base, conocido como el Efecto Early.

En un transistor bipolar, un incremento en la tensión colector-base lleva asociado un incremento en la anchura de la zona de carga espacial de dicha unión. Este aumento provoca una disminución de la anchura efectiva de la base, (la anchura efectiva de la base pasa de WB a W’B). Debido a esto, la corriente de colector aumenta, pues existe menos camino para la recombinación en base. La pendiente positiva de las curvas características del transistor en zona activa es debida a este efecto.

El transistor bipolar tiene unas limitaciones físicas de funcionamiento debido a los fenómenos de avalancha que se pueden producir debido a tensiones elevadas en las uniones. Un transistor se puede destruir debido a:

-Ruptura  por entrar en avalancha alguna de las uniones, en especial la unión base-emisor debido a su alto dopaje es sensible a las altas tensiones.

-Cuando circula una corriente muy elevador por la unión colector-base, disminuye la anchura de la base del transistor, en lo que se denomina Perforación de base