Electrónica Básica: Transistor Bipolar

El transistor es el componente más importante de los circuitos electrónicos actuales, y es indispensable para la realización de circuitos digitales. Un microprocesador moderno como el Intel Core i7 (figura 1) puede contener más de 700 millones de transistores. Todo esto hace que el transistor sea considerado uno de los inventos más relevantes del siglo XX.

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Fig 1. Procesador Intel Core i7.

Aunque ya se han mencionado algunos componentes activos, como son los diodos, capaces de permitir el paso de la intensidad en un solo sentido, con estos no podemos realizar una tarea que resulta fundamental en cualquier circuito electrónico de complejidad moderada: el control de una señal con otra señal. Parece importante tener un componente que permita controlar las condiciones Corriente (i)-Tensión (v) a la señal eléctrica que lo atraviesa, y que sea capaz de modificar esas condiciones en función de una segunda señal (señal de control).

A principios del siglo XX aparecen los “tríodos” (figura 2), dispositivos de 3 terminales formados por una válvula de vacío a la que se la añade un electrodo de control (llamado rejilla) que permite modificar el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo. La invención del tríodo fue consecuencia de muchos trabajos prácticamente simultáneos, siendo la primera patente registrada por Lee De Forest para un dispositivo muy similar (poseía los 3 terminales, pero no trabajaba en el vacío) al que denominó “Audión”.

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Fig 2. El triodo.

El principal problema de los tríodos era su gran tamaño y consumo. Conforme avanzan los conocimientos de física del estado sólido, se comienza a investigar sobre la posibilidad de utilizar estos nuevos conocimientos para desarrollar un dispositivo que cumpla la función de esas válvulas. Y a partir de los experimentos de John Bardeen y Walter Brattain, realizados en 1947 en los Laboratorios Bell en Estados Unidos, junto con el líder del grupo de trabajo William Shockley, los tres co-inventaron el moderno transistor bipolar (figura 3), por lo cual les fue otorgado el Premio Nobel de Física en 1956.

Fig 3. Fotografía del primer transistor.

Tipos de Transistores

Existen dos grupos de transistores, por una parte tenemos a los transistores bipolares (también llamados transistores de unión bipolar, o simplemente de unión, “Bipolar Junction Transistor”, BJT, por sus siglas en inglés). Por otra parte se encuentran los transistores de efecto de campo que a su vez se dividen en transistores como JFET, MOSFET o IGBT, su funcionamiento es similar y pueden considerarse como versiones modificadas del transistor bipolar, aunque de ellos se hablara mas adelante.

Transistores Bipolares

Un transistor bipolar está formado por tres regiones semiconductoras dopadas. Como ya es sabido, los componentes semiconductores son aislantes en estado puro, pero puede convertirse en conductores mediante la adición de pequeñas cantidades de elementos dopantes. Un BJT se compone de dos regiones del mismo tipo (N o P) separadas por una región del tipo contrario. Cada una de ellas está conectada a uno de los tres terminales del dispositivo, llamados emisor, base y colector figura 4. Dependiendo de si la región de separación es de tipo P o N, se habla de transistor bipolar tipo NPN o tipo PNP.

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Fig 4. Polaridad de un transistor.

La Figura 5 muestra una representación conceptual de la estructura de un transistor de unión, tipo NPN. Como puede observarse, la base (tipo P), de dopaje débil y gran resistividad, separa las regiones semiconductoras de tipo N. La unión base-colector es mucho mayor que la unión emisor-base. Debido a ello, y a que el dopaje del emisor es más elevado que el del colector, los BJT son asimétricos, es decir, que los terminales emisor y colector no son intercambiables ademas esto podría ocasionar diferentes comportamientos en nuestros circuitos.

Fig 5. Estructura interna de un transistor bipolar

Funcionamiento de un Transistor

Debido a la forma como se alternan las capas P y N, en un transistor existen dos uniones PN: una entre emisor y base (EB), y otra entre colector y base (CB). Estas uniones deben polarizarse (suministrando voltajes fijos de CC en sus terminales), como se indica en la figura 6, es decir, la unión EB directamente y la unión CB inversamente. En este caso, la polarización de la unión BE la provee el voltaje VBB y la de la unión BC el voltaje VCC. Por tanto, en un transistor NPN , la base debe ser positiva con respecto al emisor y negativa con respecto al colector. Asimismo, en un transistor PNP, la base debe ser negativa con respecto al emisor y positiva con respecto al colector.

Fig 6. Polarización de un transistor bipolar NPN.

Como resultado de la polarización en un transistor se producen tres corrientes: la de base (Ib), la de emisor (Ie) y la de colector (Ic). Debido a que la unión BE está polarizada directamente, los portadores mayoritarios de ambas regiones son obligados por el voltaje VBB a cruzar la unión y
combinarse mutuamente. En el caso de un transistor NPN, esto significa que una parte de los electrones suministrados por el emisor (del 1%) se combinan con los pocos huecos disponibles en la base. Esto origina una corriente de base (Ib) relativamente pequeña.
Los electrones restantes (99%) son atraídos hacia el colector por la fuerte tensión inversa de polarización VCC de la unión BC . Estos electrones cruzan la unión BC , pasan a través de la extensa región de colector y se dirigen hacia el polo positivo de la batería VCC, creando una corriente de colector (Ic) muy intensa, figura 7. Las corrientes de colector (Ic) y de base (Ib) están relacionadas con la corriente de emisor (Ie), mediante la siguiente fórmula:

Ic = Beta x Ib

Esto quiere decir que, con un transistor se puede lograr amplificación de corriente, el cual es el fenómeno fundamental que se produce en ellos y por medio del que se logró su incorporación en la electrónica moderna, logrando fabricar toda la gama de aparatos electrónicos que hoy conocemos.

Fig 7. Combinación de corrientes de un transistor

La capacidad de amplificación de un transistor se mide observando el efecto de la corriente de base (Ib) sobre la corriente de colector (lc),para un determinado valor de Vce La relación entre ambas cantidades se denomina ganancia de corriente o Beta y se representa mediante el símbolo B o hFE.

B = (hFE) = (Ic)/( Ib)

Características de los Transistores

Para poder elegir el transistor adecuado para un determinado diseño, es necesario conocer su nomenclatura y características eléctricas.
En primer lugar, es importante destacar que la nomenclatura de los transistores no sigue un esquema uniforme. Cada fabricante utiliza sus propias normas a la hora de identificar un transistor mediante un número de parte para cada uno de sus transistores. Sin embargo, el sistema de nomenclatura mas conocido es el japonés que utiliza nombres que comienzan con el prefijo “2S” como vemos en la siguiente tabla:

2SATransistor bipolar PNP de alta frecuencia
2SBTransistor bipolar PNP de frecuencia de audio
2SCTransistor bipolar NPN de alta frecuencia
2SDTransistor bipolar NPN de frecuencia de audio

Las características de un determinado modelo de transistor están recogidas en su hoja de datos.
Este documento lo proporciona el fabricante del transistor (por lo tanto, para los modelos usuales de transistores, manufacturados por varios fabricantes diferentes, podemos encontrar distintas hojas de datos, si bien los valores que indicarán serán muy similares, si no idénticos).

La estructura de las hojas de datos puede variar ligeramente, pero la mayoría incluyen una visión general del componente, indicando sus terminales, dimensiones, y una serie de características eléctricas y límites máximos en que es capaz de soportar el componente sin sufrir daño. A continuación mostraremos las características eléctricas más importantes tomando como referencia el transistor 2SC5200:

Encapsulados de un Transistor

Por último queremos mencionar que los transistores así como otros dispositivos activos como los diodos tienen diferentes presentaciones o encapsulados, en la figura 8 mostramos los más típicos del mercado, colocando los de baja potencia a la derecha, hasta los de alta potencia en la parte izquierda.

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Fig 8. Encapsulados de los transistores BJT.

Si bien existe mucha información relevante sobre los transistores bipolares, en resumidas cuentas se ha mencionado lo fundamental acerca de estos, mas adelante publicaremos información sobre los transistores de efecto de campo que son otros tipo de transistores de donde se desprenden los ya famosos MOSFET e IGBT los cuales tienen ciertas particularidades.

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