Unidad 2: Transistores Bipolares y Unipolares BJT y FET

2.1 Construcción de un transistor

El transistor es un dispositivo semiconductor integrado por tres capas previamente construidas de material semiconductor; dos capas son de material tipo N y una capa tipo P, o pueden ser dos capas de material tipo P y una de tipo N. Al primero se le denomina transistor NPN, y al segundo se le conoce como transistor PNP. El dopado de la capa central denominada base es mucho menor que el dopado de las capas exteriores conocidas como emisor y colector (casi siempre 10:1 o menos). Este bajo nivel de dopado reduce la conductividad (incrementando la resistencia) de este material al limitar el número de portadores libres, esto será utilizado para controlar la corriente que circula entre la base y el colector.

En la polarización que se muestra en la figura 4-1, las terminales se han señalado con letras mayúsculas, E para el emisor, C para el

colector y B para la base. Las siglas BJT (del inglés bipolar juntion transistor = transistor de unión bipolar) se aplican generalmente a este dispositivo de tres terminales (figura 4- 2). El término bipolar se refiere a que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno de los portadores se emplea (electrón o huecos), se considera que el dispositivo es unipolar.

2.2 Configuraciones

Dado que el transistor es un componente de tres terminales, es obvio que uno de ellos deberá formar parte tanto de la entrada como de la salida del amplificador.

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0).

Para cada caso se debe analizar las mallas de entradas y salidas

Malla de entrada: +VBB –IB.RB - VBE = 0

Malla de salida: +Vcc –Ic.Rc – VcE = 0

Dicho de otra manera "la sumatoria de las caídas de tensión y de la fuente en cada malla es igual a cero, asignándoles diferentes signos"

Configuración emisor común

La tensión de entrada se aplica entre base y emisor, y la tensión amplificada se obtiene entre colector y emisor. Esta configuración se denomina amplificador con emisor común, y es el circuito más utilizado por su alta ganancia de tensión y corriente.

Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna.

No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, porque ésta no lleva ninguna información.

En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua).

La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador.

Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.

Configuración base común

Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los

circuitos hechos con transistores, por esto es la menos usada de las tres y se dice que no tiene ganancia

Configuración colector común

El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.

Esta configuración sólo tiene ganancia de corriente, siendo la tensión de salida apenas 0,6V inferior a la de entrada

Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar.

2.2.1 Polarización

I.- FUNDAMENTO TEORICO

El transistor bipolar es un dispositivo que posee tres capas semiconductoras con sus respectivos contactos llamados; colector(C), base (B) y emisor (E).

La palabra bipolar se deriva del hecho que internamente existe una doble circulación de corriente: electrones y lagunas o agujeros.

A.- CLASIFICACION DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES

Los transistores bipolares se clasifican de la siguiente manera:

1.- Por la disposición de sus capas

- Transistores PNP

- Transistores NPN

2.- Por el material semiconductor empleado

- Transistores de Silicio

- Transistores de Germanio

3.- Por la disipación de Potencia

- Transistores de baja potencia

-Transistores de mediana potencia

- Transistores de alta potencia

4.- Por la frecuencia de trabajo

- Transistores de baja frecuencia

- Transistores de alta frecuencia

B.- POLARIZACION DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES

Para que un transistor bipolar funcione adecuadamente, es necesario polarizarlo correctamente. Para ellos se debe cumplir que:

- La juntura BASE - EMISOR este polarizado directamente, y

- La juntura COLECTOR – BASE este polarizado inversamente.

Ejemplo: Si el transistor es NPN, la base debe tener un voltaje positivo con respecto al emisor y el colector debe tener un voltaje también positivo pero, mayor que el de la base. En el caso de un transistor PNP debe ocurrir lo contrario.

C.- CODIFICACION DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES

Los transistores tienen un código de identificación que en algunos casos especifica la función que cumple y en otros casos indica su fabricación.

Pese a la diversidad de transistores, se distinguen tres grandes grupos: Europeos, japoneses y Americanos.

CODIFICACION EUROPEA

Primera letra

A: Germanio

B: Silicio

Segunda Letra

A: Diodo (excepto los diodos túnel)

B: Transistor de baja potencia

D: Transistor de baja frecuencia y de potencia

E: Diodo túnel de potencia

F: Transistor de alta frecuencia

L: Transistor de alta frecuencia y potencia

P: Foto – semiconductor

2.2.2 Límites de operación y hoja de especificaciones

Para cada transistor existe una región de operación sobre las características, la cual asegurara que los valores nominales máximos no sean excedidos y la señal de salida exhibe una distorsión mínima. Una región de este tipo, se ha definido para las características de transistor de la figura 3.22. Todos los límites de operación se definen sobre una típica hoja de especificaciones de transistor.

Algunos de los límites se explican por sí mismos, como la corriente máxima de colector (denominada, por lo general, en la hoja de especificaciones, como corriente continua de colector) y el voltaje máximo de colector a emisor (abreviada a menudo como vCeo.) Para el transistor de la figura 3.22, ICmáx se especificó como de 50 mA y vCeo como de 20 V. La línea vertical de las características definida como vCEsat especifica la mínima vCE que puede aplicarse sin caer en la región no lineal denominada región de saturación.

Colector: aunque el nombre parece que no le viene a nada si que es por algo, el colector “colecciona” corriente positiva, corriente que sea más positiva que la que haya en el “emisor”.

Base: es el control de nuestro “potenciómetro”, se llama base justamente porque es la base del funcionamiento del transistor y para que funcione el transistor debe de estar entre 0,5 y 0,7 voltios más positiva que el emisor, depende de este voltaje la región en la que está el transistor funcionando.

La base tiene una relación directa con el colector, es la “llave” de nuestro grifo de corriente, esta relación viene definida en un parámetro que veremos más adelante en otra entrada.

Emisor: el emisor es por donde la corriente se “va” hacía la pila o generador o lo que sea, por donde todas las corrientes van a salir del transistor, la corriente que circulara el emisor es igual a la suma de la intensidad de colector y la de base pero al ser tan insignificante la de base se considera que la intensidad del colector es la misma que la del emisor ( se llama emisor porque “emite” electrones hacia el colector, que los “colecciona” para mandarlos a

“Pernambuco” ).

Un datasheet es un documento que resume el funcionamiento y otras características de un componente o subsistema con el suficiente detalle para ser utilizado por un ingeniero de diseño y diseñar el componente en un sistema. ...

2.2.3 Punto Q

•Obtener el punto de trabajo Q de un dispositivo consiste básicamente en obtener el valor de las diferentes tensiones y corrientes que se establecen el funcionamiento el mismo en su punto más estable.

•El análisis del punto de trabajo de un dispositivo, se puede llevar a cabo de dos formas diferentes: analítica (realizando un análisis matemático de todas las ecuaciones implicadas) o gráfica ( recta de carga en continua).

•Método analítico, se basa en resolver el sistema de ecuaciones que se establece teniendo en cuenta:

•Las leyes de Kirchoff aplicadas a tensiones y corrientes.

•El comportamiento del T según la región de funcionamiento.

•Las relaciones eléctricas del circuito de polarización usado.

◊ Seis variables definen el comportamiento de los TB npn:

IB, IC, IE, VCE, VBE y VBC

◊ Tres estructuras de funcionamiento:

Emisor común, base común y colector común

◊ Normalmente los fabricantes suelen dan la información correspondiente a emisor común donde:

IE = IB + IC; VCE = VBE – VBC

◊ Para obtener el punto Q solamente es necesario:

IBQ, ICQ; VCEQ y VBEQ

2.3 Aplicaciones del transistor

2.3.1 El transistor como INTERRUPTOR:

El transistor funciona como interruptor CERRADO cuando aplicamos una corriente a la base.

El transistor funciona como interruptor ABIERTO cuando NO aplicamos una corriente a la base.

2.3.2 El transistor como AMPLIFICADOR:

Por medio de una pequeña corriente aplicada a la base se pueden gobernar otra mucho más intensa entre colector y emisor

Esto significa que pequeñas corrientes se pueden transformar en otras más fuertes =>Amplificación