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 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
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:
IE = IEN + IEP
IC = ICN + ICP
IB = IEN + ICN + IBR
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:
= IC / IE =IC / IB
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:
IC = IB + (+1) ICO
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 VBE,
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:
VBE = VY
IC=*IB
Donde VY 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 VBE
y VCE 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 IC = *IB
VCE = VCE 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
