EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (B J T)La abreviatura BJT (bipolar junction transistor o transistor de unin bipolar) seaplica a menudo a este dispositivo de tres terminales.El trmino bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan enel proceso de inyeccin en el material polarizado opuestamente. Si slo uno delos portadores se emplea (electrn o hueco), se considera que el dispositivo esunipolar.a) Estructura del TransistorEl transistor bipolar de juntura (BJT) se puede definir como la unin de tres obleasde Silicio o Germanio dopadas alternativamente con material tipo PNP o NPNcomo se muestra en la figura 1 para un material tipo NPN.Figura #1: Material Tipo NPN.A cada material dopado se conecta un terminal metlico al que llamaremosterminal de Emisor, terminal de Base y terminal de Colector. Sin embargo, cadamaterial tiene un rea y cantidad de dopaje diferente entre s.a) El Emisor es el material ms dopado del transistor y su rea es mediana. Lafuncin principal del Emisor es Emitir electrones. Hacia el colector.b) La Base es el material menos dopado y de rea ms pequea. Su funcin esde servir como Base o referencia para los otros terminales.c) El Colector es el material de mayor rea y medianamente dopado. Su funcines de Colectar o recibir los electrones provenientes del Emisor.Figura #2: Estructura de un transistor NPNComo podemos observar, entre los terminales Emisor y Base se tiene elequivalente a un diodo de unin o Juntura que denominaremos Jbe por Junturabase-emisor. Una situacin similar se produce entre la Base y Colector quedenominaremos Jbc. Eso es, si imaginariamente dividimos la base en dos partes,obtendremos la equivalencia a dos diodos segn se muestra en al figura #3. Sinembargo, debemos decir que debido a la diferencia de dopaje que existe en cadauno de los terminales, es que la barrera de potencial producida en la unin Base Emisor es mayor que la barrera de potencial producida en la unin Base Colector, lo que es fundamental para determinar cada uno de los terminalesutilizando un multitester selectado como prueba de diodo.Pgina 5 de 11Figura #3: Junturas equivalentesConsidere que se tiene un transistor tipo NPN, entonces el terminal baseconducir como diodo (terminal positivo), tanto hacia el terminal colector (Jbc)como al terminal emisor (Jbe), adems, entre los terminales colector y Emisor nodebe conducir en ningn sentido. Identificado entonces el terminal base, sepuede determinar fcilmente terminal Emisor observando su mayor barrera depotencial o mayor impedancia al ser polarizado directamente que el terminalcolector respectivamente.b) Simbologa del TransistorElectrnicamente, el transistor tiene su propia simbologa dependiendo si elmaterial es NPN o bien es PNP como se muestra en la figura #4, donde E=Emisor; B =Base y C =Colector.Figura #4: Simbologa del transistorComo se puede apreciar en la figura #4, el Emisor contiene una flecha que nopenetrar si el dispositivo es NPN, si la flecha penetra entonces el dispositivo esPNP. Como veremos posteriormente, esta flecha nos indica el sentido que tendrla corriente en el Emisor.Pgina 6 de 11c) Encapsulados del TransistorEl transistor tiene posee diferentes tipos de encapsulados, dependiendo de suscaractersticas. As por ejemplo, se tienen transistores de potencia, de altaganancia, etc.Estas caractersticas y por supuesto, su dopaje diferencia a un transistor de otro,por lo cual cada tipo de transistor tiene un cdigo propio que lo identifica del restode sus homlogos. La figura #5 muestra algunos tipos de encapsulados.Figura #5: Encapsulados del transistorCuando el encapsulado es metlico, entonces el terminal colector corresponder ala carcaza del dispositivo.d) Polarizacin del TransistorPolarizar al transistor, significa entregar una diferencia de potencial o voltaje entresus terminales. La polarizacin es necesaria para establecer una regin deoperacin apropiada para la amplificacin de seal alterna.Para el caso del transistor, se requerir que la juntura Base-Emisor (Jbe) estpolarizada en forma directa, mientras que la juntura Base-Colector (Jbc) ) estpolarizada en forma inversa. Como se muestra en la figura #6 para un transistorNPN.Figura #6: Polarizacin de un transistor NPNLa figura 7 muestra un transistor PNP (a) y NPN (b) polarizado, como as tambin,nos muestra la relacin que tiene el rea de base con respecto al rea total.Pgina 7 de 11Figura #7: Polarizacin del transistor.e) Operacin del TransistorLa operacin bsica del transistor se describir ahora empleando el transistor pnpde la figura #8. La operacin del transistor npn es exactamente igual si seintercambian los papeles que desempean los electrones y los huecos.En la figura 8 se ha redibujado el transistor pnp sin la polarizacin base a colector.Ntense las similitudes entre esta situacin y la del diodo polarizado directamente.El ancho de la regin de agotamiento se ha reducido debido a la polarizacinaplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del materialtipo p al tipo nFigura 8 Unin polarizada directamente para un transistor PNPPgina 8 de 11Como se puede observar de la figura #8, el ancho de la regin de agotamiento seha reducido debido a la polarizacin aplicada, lo que produce un denso flujo deportadores mayoritarios del material tipo p al n.Eliminaremos ahora la polarizacin base a emisor del transistor pnp de la figura7a, para dejar la polarizacin inversa que se presenta en la unin base colectorcomo se indica en la figura 9. Recurdese que para una polarizacin inversa, elflujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que slo se presenta un flujo deportadores minoritarios y la zona desierta o regin de agotamiento se ensanchar.Figura 9: Unin polarizada inversamente para un transistor PNPConsideremos ahora el funcionamiento del transistor polarizado como se muestraen la figura #10. En la cual, una unin p-n del transistor est polarizadainversamente, en tanto que la otra unin presenta polarizacin directa.Figura 10:Flujo de portadores mayoritarios y minoritariosde un transistor pnpObservamos en la figura 10 que ambos potenciales de polarizacin se hanaplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritarioque se indica. Ntense los anchos de las regiones de agotamiento, que indicancon toda claridad qu unin est polarizada directamente y cul inversamente.Como se indica en la figura 10, un gran nmero de portadores mayoritarios desdeel emisor se difundirn a travs de la unin p-n polarizada directamente hacia laPgina 9 de 11base dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadorescontribuirn en forma directa a la corriente de base IB o pasarn directamentehacia el material tipo p del colector. Puesto que el material tipo n (Base) essumamente delgado y tiene una baja conductividad al tener un nmero muypequeo portadores mayoritarios, es que el mayor nmero de estos portadoresmayoritarios se difundir a travs de la unin polarizada inversamente dentro delmaterial tipo p conectado a la terminal del colector, como se indica en la figura 10.La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios puedencruzar la unin polarizada inversamente hacia el colector, puede comprenderse siconsideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadoresmayoritarios del material tipo P inyectados desde el emisor, aparecern comoportadores minoritarios en el material tipo n de la base. En otras palabras, hahabido una inyeccin de portadores minoritarios al interior del material de la reginbase de tipo n. Combinando esto con el hecho de que en un diodo polarizadoinverso, la corriente se produce por los portadores minoritarios, se explica el flujoque se indica en la figura 10.Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff al transistor de la figura 10 como si fueraun solo nodo, obtenemos1.0) IE = IC + IBy descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en elcolector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector est formada por doscomponentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en lafigura 10. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga yse simboliza mediante ICO (corriente IC con la terminal del emisor abierta = open).Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante laecuacin.1.1) IC = ICmayoritaria + ICOminoritariaEn el caso de transistores de propsito general, IC se mide en miliamperes, entanto que ICO se mide en microamperes o nanoamperes.ICO para el transistor es como Is para un diodo polarizado inversamente, es decir,es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando seconsideren para aplicaciones con intervalos amplios de temperatura. Si esteaspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de unsistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en lastcnicas de construccin han producido niveles bastante menores de ICO, algrado de que su efecto puede a menudo ignorarse.En forma anloga, podemos considerar la polarizacin del transistor NPN, en lacual, el movimiento es de electrones desde el Emisor hacia el Colectorfundamentalmente y una pequea corriente de electrones circular por la Base.En efecto, el nombre EMISOR obedece al hecho de que este terminal emite oentrega electrones, el terminal COLECTOR obedece al hecho de que este terminalrecibe o colecta los electrones desde el Emisor. El terminal BASE en cambio,corresponde al terminal de referencia o base para el transistor.Parmetros del transistorAlfa de componente continua ? cd.Dependiendo del dopaje, se puede conocer de antemano el porcentaje deportadores mayoritarios que son inyectados desde el Emisor y que llegan alcolector. A este porcentaje, dado en tanto por uno tiene el nombre de Alfa (? ), esPgina 10 de 11as por ejemplo, que si en un transistor tipo NPN tiene ? ?= 0,9. Quiere decir que elnoventa por ciento (90%) de los electrones inyectados en el Emisor llegan alcolector y el resto, es decir, el 10% llegar a la Base. Como la corriente es elnmero de portadores mayoritarios (para nuestro caso particular electrones) porunidad de tiempo, se puede decir que:1.2) Ic = ? cd * IE + ICOSi despreciamos los portadores minoritarios, se puede decir que Ic = ? cd * IE.Mientras ms delgada y menos contaminada sea la capa de base, ms alta serel valor de ? cd??Alfa de componente alterna ? ca.Para las situaciones de ca en donde el punto de operacin Q se mueve sobre lacurva caracterstica, un alfa de ca se define por1.3)El alfa de ca se denomina formalmente el factor de amplificacin de base comnen corto circuito.Admitiendo que la ecuacin (1.3) especifica que un cambio relativamentepequeo en la corriente de colector se divide por el cambio correspondiente en IEmanteniendo constante el voltaje colector a base. Para la mayora de lassituaciones las magnitudes de ? ca y de ? cd se encuentran bastante cercanas,permitiendo usar la magnitud de una por otra.Beta de componente continua (? cd??En el modo de continuo, los valores de IC e IB se relacionan por una cantidaddenominada beta. Si despreciamos la corriente producto de los y portadoresminoritarios, podemos decir que.???????? cd = IC / IB Pero: de 1.0) IE = (IC + IB) y de 1.2) IC = ? ?IEo bien,IC = ? ?(IC + IB) es decir, IC = ? ?IC???? ?IB o IC - ? ?IC?=?? ?IB,IC ? (1- ? ??=?? ?IB, Luego1.5) ???? cd = IC = ? ???IB (1- ? ?De modo que:1.6)Nota: En algunos manuales tcnicos, el nombre de ? cd es reemplazado por HFE.Se puede decir entonces que:1.7) IC ? ? ?IB adems IE =IC + IB, Entonces1.8) IE = (? +1)*IBSi consideramos a los portadores minoritarios, la ecuacin 1.7) quedar comoIC ? ? ???IB + (? +1) * ICBO( ?1) ? ?? ?Pgina 11 de 11Al igual que Alfa, existe un ? ?continuo (? cd ) y un ? alterno (? ac o Hfe). Otroaspecto interesante de mencionar es la relacin que hay entre sus terminales, enefecto, si observamos la figura #7, podemos concluir que:1.9) VEB + VBC = VEC .La ecuacin 1.9 es vlida tanto para transistores PNP como tambin paratransistores NPN, en este ltimo caso, solo cambian los signos de los voltajes oque es lo mismo, se cambian losSubndices (VBE + VCB = VCE).