Estructura del transistor bipolar de unión (BJT)

El transistor bipolar de unión (BJT) es un dispositivo semiconductor formado por tres regiones con diferentes niveles de dopado llamadas emisor, base y colector. Estas regiones están separadas por dos uniones pn, cuya interacción permite controlar el flujo de corriente en el dispositivo.

Construcción del transistor bipolar

Existen dos configuraciones básicas de transistores bipolares: npn y pnp. Ambos poseen tres terminales (emisor, base y colector) y funcionan según el mismo principio físico, aunque difieren en la disposición de los materiales semiconductores y en el sentido de circulación de las corrientes y de los portadores de carga.

• Transistor npn: formado por dos regiones de material tipo n separadas por una delgada región de material tipo p.
• Transistor pnp: formado por dos regiones de material tipo p separadas por una delgada región de material tipo n.

Regiones del transistor

Cada una de las tres regiones cumple una función específica dentro del funcionamiento del transistor.

• Emisor: región fuertemente dopada encargada de suministrar la mayor parte de los portadores de carga.
• Base: región muy delgada y ligeramente dopada que controla el paso de los portadores entre el emisor y el colector.
• Colector: región destinada a recoger la mayoría de los portadores provenientes del emisor.

Uniones del transistor

Las tres regiones forman dos uniones pn, similares a las de un diodo semiconductor.

• Unión base-emisor (BE): une la base con el emisor y permite la inyección de portadores cuando se polariza en directa.
• Unión base-colector (BC): une la base con el colector y normalmente trabaja polarizada en inversa durante la operación activa del transistor.

Terminales

Cada región semiconductor se conecta al circuito mediante un terminal externo identificado con una letra normalizada.

• E (Emitter): emisor.
• B (Base): base.
• C (Collector): colector.

Diferencias entre los transistores npn y pnp

Términos relacionados :

• Semiconductor intrínseco. (Intrinsic semiconductor)
• Semiconductor extrínseco. (Extrinsic semiconductor)
• Dopado. (Doping)
• Impureza donadora. (Donor impurity)
• Impureza aceptora. (Acceptor impurity)
• Semiconductor tipo N. (N-type semiconductor)
• Semiconductor tipo P. (P-type semiconductor)
• Electrón libre. (Free electron)
• Hueco. (Hole)
• Portadores mayoritarios. (Majority carriers)
• Portadores minoritarios. (Minority carriers)
• Capa de valencia. (Valence shell)
• Enlace covalente. (Covalent bond)
• Corriente de base. (Base current, IB)
• Corriente de colector. (Collector current, IC)
• Corriente de emisor. (Emitter current, IE)
• Tensión base-emisor. (Base-emitter voltage, VBE)
• Tensión base-colector. (Base-collector voltage, VBC)
• Tensión colector-emisor. (Collector-emitter voltage, VCE)
• Curva característica del colector. (Collector characteristic curve)
• Familia de curvas del colector. (Family of collector curves)
• Recta de carga de corriente continua. (DC load line)
• Punto de operación. (Operating point, Q-point)
• Circuito de prueba de corriente continua. (DC test circuit)
• Polarización del transistor. (Transistor bias)
• Polarización por divisor de tensión. (Voltage-divider bias)
• Circuito de polarización NPN. (NPN bias circuit)
• Circuito de polarización PNP. (PNP bias circuit)
• Circuito equivalente de Thevenin. (Thevenin equivalent circuit)
• Transistor bipolar de unión. (Bipolar Junction Transistor, BJT)

Símbolos esquemáticos

Los símbolos eléctricos permiten identificar rápidamente el tipo de transistor utilizado en un circuito.

• Transistor npn: la flecha del emisor apunta hacia afuera del transistor.
• Transistor pnp: la flecha del emisor apunta hacia el interior del transistor.

Concepto de transistor bipolar

El término bipolar indica que el funcionamiento del dispositivo involucra dos tipos de portadores de carga: electrones y huecos. Aunque uno de ellos es predominante según el tipo de transistor, ambos participan en el mecanismo de conducción eléctrica.

Conceptos clave

Funcionamiento del transistor bipolar

Para que un transistor bipolar funcione correctamente, sus dos uniones pn deben polarizarse con tensiones externas adecuadas. En la condición normal de operación, la unión base-emisor se polariza en directa y la unión base-colector se polariza en inversa. A esta forma de polarización se la denomina polarización directa-inversa.

Polarización directa-inversa

En un transistor npn y en un transistor pnp se utiliza el mismo principio general: la unión base-emisor permite el paso de portadores, mientras que la unión base-colector queda polarizada en sentido inverso. La diferencia entre ambos tipos de transistor está en la polaridad de las tensiones aplicadas y en el sentido de circulación de las corrientes.

• Unión base-emisor directa: facilita el paso de portadores desde el emisor hacia la base.
• Unión base-colector inversa: crea un campo eléctrico que atrae los portadores hacia el colector.
• Transistor npn: los portadores principales son electrones.
• Transistor pnp: los portadores principales son huecos.

Funcionamiento interno en un transistor npn

Figura. Comportamiento de la juntura BE con el colector abierto.

En un transistor npn, el emisor está fuertemente dopado y contiene gran cantidad de electrones libres. Al estar la unión base-emisor polarizada en directa, estos electrones atraviesan la unión y entran en la región de base.

La base es muy delgada y está débilmente dopada. Por esta razón, solo una pequeña parte de los electrones que llegan desde el emisor se recombina con los huecos de la base. Esa recombinación produce una corriente pequeña llamada corriente de base.

La mayoría de los electrones no se recombina en la base. En cambio, atraviesa la región de base y llega a la zona de agotamiento de la unión base-colector. Como esta unión está polarizada en inversa, el campo eléctrico allí existente arrastra los electrones hacia el colector. Así se forma la corriente de colector.

Figura. Efecto de la polarización de la juntura colector-base

Corrientes del transistor

• Corriente de emisor: corriente total que sale o entra por el emisor.
• Corriente de base: corriente pequeña producida por la recombinación de portadores en la base.
• Corriente de colector: corriente principal controlada por la corriente de base.

Idea principal

La conclusión fundamental es que una pequeña corriente de base puede controlar una corriente de colector mucho mayor. Por este motivo, el transistor bipolar se considera un amplificador de corriente.

Conceptos clave

Corrientes y tensiones en el transistor bipolar

El funcionamiento de un transistor bipolar (BJT) puede analizarse mediante las leyes fundamentales de los circuitos eléctricos. La corriente que circula por sus terminales cumple la Ley de Corrientes de Kirchhoff (LCK), mientras que las tensiones se determinan aplicando la Ley de Tensiones de Kirchhoff (LTK).

Corrientes del transistor

En un transistor bipolar existen tres corrientes principales: corriente de emisor, corriente de base y corriente de colector. Estas corrientes están relacionadas entre sí por la Ley de Corrientes de Kirchhoff.

I_E = I_C + I_B

Esto significa que toda la corriente que circula por el emisor se divide en dos partes: una pequeña corriente fluye por la base y la mayor parte continúa hacia el colector.

Corriente de base

La corriente de base (I_B) es mucho menor que la corriente de colector y que la corriente de emisor. En la mayoría de los circuitos puede considerarse que:

I_E ≈ I_C

Esta aproximación simplifica el análisis de los circuitos con transistores sin introducir errores significativos en la mayoría de las aplicaciones.

Ganancia de corriente continua (βDC)

Cuando un transistor trabaja dentro de su región activa, la corriente de colector es aproximadamente proporcional a la corriente de base. Esta relación se denomina ganancia de corriente continua o βDC.

β_DC = I_C / I_B

La ganancia también suele identificarse en las hojas de datos como h_FE. Su valor depende del tipo de transistor y de las condiciones de funcionamiento.

Características de la ganancia βDC

• βDC representa la capacidad del transistor para amplificar corriente.
• Su valor no es constante y varía entre distintos modelos de transistores.
• En transistores de pequeña señal suele encontrarse entre 50 y 300 aproximadamente.
• En transistores de potencia generalmente presenta valores menores.
• Los circuitos bien diseñados no dependen de un valor exacto de βDC.

Tensiones del transistor

Durante el funcionamiento del transistor se consideran tres tensiones principales, todas referidas normalmente al terminal de emisor.

• V_E: tensión del emisor.
• V_B: tensión de la base.
• V_C: tensión del colector.

En muchos circuitos el emisor se conecta directamente a tierra, por lo que se toma como referencia de potencial.

Tensión del colector

La tensión presente en el colector depende de la fuente de alimentación y de la caída de tensión producida en la resistencia del colector.

V_C = V_CC − I_CR_C

Esta expresión es una aplicación directa de la Ley de Tensiones de Kirchhoff.

Tensión base-emisor

Cuando un transistor de silicio trabaja en la región activa, la unión base-emisor está polarizada en directa y presenta una caída de tensión cercana a 0,7 V.

V_B = V_E + V_BE

V_B ≈ V_E + 0,7 V

Si el emisor está conectado a tierra, entonces:

V_E = 0 V
V_B ≈ 0,7 V

Fig. : Voltajes de polarización del transistor

Figura: En el caso de los transistores, intervienen seis magnitudes eléctricas fundamentales:

Corrientes

• I_B: corriente de base.
• I_C: corriente de colector.
• I_E: corriente de emisor.

Tensiones

• V_BE: tensión base-emisor.
• V_BC: tensión base-colector.
• V_CE: tensión colector-emisor.

Relaciones fundamentales del transistor bipolar

La corriente de emisor se obtiene como la suma de la corriente de base y la corriente de colector.

\( I_{E} = I_{B} + I_{C} \)

La tensión entre la base y el colector es igual a la diferencia entre la tensión base-emisor y la tensión colector-emisor.

\( V_{BC} = V_{BE} - V_{CE} \)

Conceptos clave

Figura . Circuito típico y sus ecuaciones.

Curvas características y punto de operación del transistor bipolar

Las curvas características de un transistor bipolar permiten conocer cómo se comporta el dispositivo frente a distintas condiciones de polarización. Estas curvas muestran la relación entre las tensiones y corrientes del transistor y constituyen una herramienta fundamental para el diseño, análisis y diagnóstico de circuitos electrónicos.

Característica base-emisor

La unión base-emisor presenta un comportamiento prácticamente idéntico al de un diodo de silicio. Cuando la tensión aplicada entre base y emisor supera aproximadamente los 0,7 V, la corriente de base aumenta rápidamente y el transistor comienza a conducir.

Si la tensión base-emisor es muy inferior a este valor, prácticamente no existe corriente de base y el transistor permanece apagado.

• V_BE ≈ 0 V: transistor en corte.
• V_BE ≈ 0,7 V: transistor comienza a conducir.
• V_BE mucho mayor que 0,7 V: puede indicar una condición anormal o una falla.

Característica del colector

La corriente de colector depende principalmente de la corriente de base. Para cada valor de corriente de base existe una curva que relaciona la corriente de colector con la tensión colector-emisor (V_CE).

Cada una de estas curvas representa el comportamiento del transistor para un valor constante de corriente de base. Al aumentar la corriente de base, también aumenta la corriente de colector.

Familia de curvas características

Fig. (a): Circuito de transitor

(b) Curva de la corriente de colector I_C correspondiente a un único valor de la corriente de base I_B, mientras la tensión colector-emisor V_CE varía.

Al representar varias curvas correspondientes a distintos valores de I_B, se obtiene la denominada familia de curvas del colector. Estas curvas permiten analizar el comportamiento del transistor bajo diferentes condiciones de funcionamiento.

(c) Familia de curvas de colector correspondientes a distintos valores de la corriente de base (I_B1 < I_B2 < I_B3, etc.).

Figura . Curvas características del colector

La familia de curvas muestra cómo varía la corriente de colector al modificar simultáneamente la tensión colector-emisor y la corriente de base.

Región activa

En la región activa el transistor funciona como amplificador. En esta zona la corriente de colector depende casi exclusivamente de la corriente de base y permanece prácticamente constante aunque la tensión colector-emisor varíe dentro de ciertos límites.

I_C = β I_B

Región de corte

La región de corte corresponde al estado de apagado del transistor. En esta condición la corriente de base es prácticamente nula, por lo que la corriente de colector también es prácticamente cero, excepto por una pequeña corriente de fuga.

• I_B ≈ 0
• I_C ≈ 0
• V_CE ≈ V_CC

En corte, tanto la unión base-emisor como la unión base-colector permanecen polarizadas en inversa.

Región de saturación

La saturación ocurre cuando la corriente de base es suficientemente grande como para que el transistor conduzca la máxima corriente permitida por el circuito externo.

Fig. : (a) El circuito del colector, mostrado en el recuadro de color, es un circuito equivalente de Thevenin. El circuito del transistor, mostrado en el recuadro gris, constituye la carga.

Fig. : (b) Recta de carga de corriente continua (DC) para el circuito mostrado en (a).

En esta condición el transistor se comporta como un interruptor cerrado y la caída de tensión entre colector y emisor es muy pequeña.

• V_CE(sat) ≈ 0,1 a 0,3 V (valor típico).
• La corriente de colector deja de depender de la corriente de base.
• La corriente queda limitada por la resistencia del circuito.

La corriente máxima de saturación puede calcularse mediante la Ley de Ohm.

I_C(sat) = V_CC / R_C

Recta de carga de corriente continua

La recta de carga representa todas las combinaciones posibles de tensión y corriente que puede adoptar el transistor para un determinado circuito.

Fig. : (c) Curvas características del colector superpuestas sobre la recta de carga de corriente continua (DC)

Sus extremos corresponden a las dos condiciones límite:

• Corte: corriente nula y máxima tensión colector-emisor.
• Saturación: máxima corriente y mínima tensión colector-emisor.

La recta de carga depende únicamente de la tensión de alimentación y de la resistencia del colector.

Punto de operación (Punto Q)

El punto de operación, también denominado punto Q (Quiescent Point), es el punto donde la recta de carga corta a la curva correspondiente al valor de corriente de base del circuito.

(a) Curvas características.

(b) Circuito de prueba de corriente continua (DC).

(c) Recta de carga y curvas características.

(d) Determinación del punto de operación (punto Q).

Este punto determina las condiciones normales de funcionamiento del transistor cuando no existe señal de entrada.

Las coordenadas del punto Q indican simultáneamente:

• Corriente de colector (I_C).
• Tensión colector-emisor (V_CE).

Una correcta elección del punto Q permite obtener una amplificación lineal y evitar que el transistor entre en corte o saturación durante el funcionamiento normal del circuito.

Aplicaciones de las curvas características

• Diseño de amplificadores.
• Diseño de circuitos de conmutación.
• Cálculo del punto de polarización.
• Análisis mediante la recta de carga.
• Diagnóstico y localización de fallas.
• Selección del transistor adecuado para una aplicación.

Conceptos clave

Circuitos de polarización del transistor bipolar

La polarización de un transistor bipolar consiste en aplicar las tensiones continuas adecuadas para establecer una corriente de funcionamiento determinada. Su objetivo es fijar el punto de operación o punto Q del transistor.

En los amplificadores lineales, la señal alterna debe poder variar tanto en sentido positivo como negativo. Para lograrlo, el transistor debe mantenerse en una condición intermedia, evitando que entre en corte o en saturación durante la amplificación.

Objetivo de la polarización

Los circuitos de polarización establecen las corrientes y tensiones continuas del transistor antes de aplicar la señal de entrada. Una polarización adecuada permite:

• Mantener el transistor en la región activa.
• Fijar una corriente de colector determinada.
• Establecer una tensión colector-emisor conveniente.
• Evitar la distorsión por corte o saturación.
• Reducir los efectos de las variaciones de temperatura y de ganancia.

Punto de operación o punto Q

El punto Q representa las condiciones de corriente y tensión del transistor cuando no hay señal alterna aplicada. Se define principalmente mediante:

• Corriente de colector en reposo, I_CQ.
• Tensión colector-emisor en reposo, V_CEQ.

En un amplificador, el punto Q debe situarse en una zona que permita que la señal varíe sin alcanzar los límites de corte y saturación.

Polarización fija de base

La polarización fija de base es uno de los métodos más simples. Consiste en conectar una resistencia entre la fuente de alimentación y la base del transistor.

Figura : (a) Circuito de polarización NPN; (b) Circuito de polarización PNP con una fuente de alimentación negativa ; (c) Circuito de polarización PNP con una fuente de alimentación positiva.

La resistencia de base, R_B, limita la corriente que circula por la unión base-emisor. Esa corriente produce, a su vez, una corriente de colector mayor.

Corriente de base

I_B = (V_CC - V_BE) / R_B

Para un transistor de silicio suele considerarse:

V_BE ≈ 0,7 V

Corriente de colector

Mientras el transistor funcione en la región activa, la corriente de colector puede calcularse aproximadamente mediante:

I_C = β_DCI_B

Sustituyendo la expresión de la corriente de base:

I_C = β_DC [(V_CC - V_BE) / R_B]

Ventajas de la polarización fija

• Utiliza pocos componentes.
• Es sencilla de analizar y construir.
• Resulta útil en circuitos de conmutación.
• Permite llevar fácilmente al transistor a corte o saturación.

Desventajas de la polarización fija

• La corriente de colector depende directamente de β.
• El punto Q varía entre transistores del mismo modelo.
• Presenta poca estabilidad frente a la temperatura.
• No es recomendable para amplificadores lineales precisos.

Este método se emplea principalmente cuando el transistor funciona como interruptor electrónico.

Polarización con realimentación desde el colector

En la polarización con realimentación desde el colector, la resistencia de base se conecta al colector en lugar de conectarse directamente a la fuente de alimentación.

Fig : polarización con realimentación desde el colector

De esta manera, una parte de la tensión de salida se utiliza para polarizar la base. Esta conexión introduce una forma de realimentación negativa.

Funcionamiento de la realimentación negativa

Si la corriente de colector aumenta, también aumenta la caída de tensión en R_C. Como consecuencia, disminuye la tensión del colector y se reduce la corriente de base.

La reducción de la corriente de base tiende a disminuir nuevamente la corriente de colector. Este efecto compensador ayuda a mantener más estable el punto Q.

El proceso puede resumirse de la siguiente manera:

• Aumenta I_C.
• Aumenta la caída de tensión en R_C.
• Disminuye V_C.
• Disminuye I_B.
• Se limita el aumento inicial de I_C.

Corriente de colector

Para este circuito, la corriente de colector puede aproximarse mediante:

I_C = (V_CC - V_BE) / [R_C + R_B/β_DC]

Ventajas de la realimentación desde el colector

• Presenta mayor estabilidad que la polarización fija.
• Compensa parcialmente las variaciones de β.
• Reduce los efectos de los cambios de temperatura.
• Utiliza pocos componentes.

Desventajas de la realimentación desde el colector

• No ofrece la máxima estabilidad posible.
• El punto Q todavía depende parcialmente de β.
• La realimentación puede reducir la ganancia del circuito.

Polarización mediante divisor de tensión

La polarización por divisor de tensión es uno de los métodos más utilizados en amplificadores con transistores bipolares. Emplea dos resistencias, R₁ y R₂, para establecer una tensión prácticamente constante en la base.

Este método suele incluir además una resistencia de emisor, R_E, que proporciona estabilidad adicional mediante realimentación negativa.

Fig. : (a) Sin carga; (b) Con carga.

Divisor de tensión

FIGURA : Polarización por divisor de tensión.

Sin considerar el efecto de carga producido por la base, la tensión de base es:

V_B = [R₂ / (R₁ + R₂)]V_CC

La resistencia R₁ se conecta entre la fuente de alimentación y la base, mientras que R₂ se conecta entre la base y tierra.

Efecto de carga del divisor

La base del transistor toma una pequeña corriente del divisor. Debido a ello, la tensión real de base puede ser ligeramente menor que la calculada con la fórmula ideal.

Para que este efecto sea reducido, la corriente que circula por el divisor debe ser considerablemente mayor que la corriente de base. Como criterio práctico, puede elegirse una corriente de divisor de aproximadamente diez veces la corriente de base.

Fig. : Polarización por divisor de tensión para transistores PNP.

Tensión del emisor

En un transistor npn de silicio:

V_E = V_B - V_BE

V_E ≈ V_B - 0,7 V

Corriente del emisor

Una vez conocida la tensión del emisor, la corriente de emisor se determina mediante la Ley de Ohm:

I_E = V_E / R_E

Corriente de colector

Como la corriente de base es pequeña en comparación con la corriente de emisor:

I_C ≈ I_E

Tensión del colector

La tensión en el colector se calcula restando a la tensión de alimentación la caída de tensión en la resistencia de colector:

V_C = V_CC - I_CR_C

Tensión colector-emisor

La tensión colector-emisor se determina mediante:

V_CE = V_C - V_E

Ventajas de la polarización por divisor de tensión

• Proporciona buena estabilidad del punto Q.
• Reduce la dependencia respecto de β.
• Compensa parcialmente las variaciones de temperatura.
• Es adecuada para amplificadores lineales.
• Permite reemplazar el transistor con menor variación del punto de operación.

Desventajas de la polarización por divisor de tensión

• Utiliza más componentes que la polarización fija.
• El divisor consume corriente de manera permanente.
• Debe considerarse el efecto de carga de la corriente de base.

Función de la resistencia de emisor

La resistencia de emisor mejora la estabilidad térmica del transistor. Si la corriente aumenta, también aumenta la caída de tensión en R_E. Esto eleva la tensión del emisor y reduce la tensión base-emisor.

Al disminuir la tensión base-emisor, se reduce la corriente de base y se compensa parcialmente el aumento original de la corriente de colector.

Este mecanismo constituye una forma de realimentación negativa de emisor.

Comparación de los circuitos de polarización

Conceptos clave