Transistor de unión bipolar (BJT): detalles constructivos y operativos

Transistor de unión bipolar (BJT): detalles constructivos y operativos

Un transistor bipolar o un BJT es un dispositivo semiconductor de 3 terminales que puede amplificar o cambiar tensiones y corrientes de entrada de señales pequeñas a tensiones y corrientes de señal de salida significativamente mayores.

Cómo evolucionaron los transistores de unión bipolar BJT

Durante 1904-1947, el tubo de vacío fue sin duda el dispositivo electrónico de gran curiosidad y crecimiento. En 1904, J. A. Fleming lanzó el diodo de tubo de vacío. Poco después, en 1906, Lee De Forest mejoró el dispositivo con una tercera característica, conocida como rejilla de control, produciendo el primer amplificador y denominado triodo.

En las décadas siguientes, la radio y la televisión inspiraron enormemente el negocio del metro. La fabricación aumentó de alrededor de 1 millón de tubos en 1922 a alrededor de 100 millones en 1937. A principios de la década de 1930, el tetrodo de 4 elementos y el pentodo de 5 elementos adquirieron popularidad en el negocio de los tubos de electrones.



En los años siguientes, el sector manufacturero evolucionó hasta convertirse en uno de los sectores más importantes, y se crearon rápidas mejoras para estos modelos, en los métodos de producción, en aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia, y en la dirección de la miniaturización.

Co-inventores del primer transistor en Bell Laboratories: Dr. William Shockley (sentado) Dr. John Bardeen (izquierda) Dr. Walter H. Brattain. (Cortesía de AT&T Archives.)

El 23 de diciembre de 1947, sin embargo, la industria electrónica iba a presenciar la llegada de una 'dirección de interés' y una mejora absolutamente nueva. Al mediodía resultó que Walter H. Brattain y John Bardeen exhibieron y probaron la función amplificadora del primer transistor en los Bell Telephone Laboratories.

El primer transistor (que tenía la forma de un transistor de contacto puntual) se muestra en la figura 3.1.

la primera imagen de transistor

Imagen de cortesía: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

Los aspectos positivos de esta unidad de estado sólido de 3 pines en contraste con el tubo se notaron instantáneamente: resultó ser mucho más pequeño, podía funcionar sin un 'calentador' o pérdidas de calor, era irrompible y fuerte, era más eficiente en términos de el uso de energía, se podía almacenar y acceder con facilidad, no requería ningún arranque de calentamiento inicial y funcionaba con voltajes operativos mucho más bajos.

Vcc y Vee en BJT pnp y npn de base común

CONSTRUCCIÓN DE TRANSISTOR

Un transistor es básicamente un dispositivo construido con 3 capas de material semiconductor en el que se usa una capa de material de tipo 2 n y una sola capa de tipo p o de tipo 2 p y una sola capa de material de tipo n. El primer tipo se denomina transistor NPN, mientras que la segunda variante se denomina tipo de transistor PNP.

Ambos tipos se pueden visualizar en la figura 3.2 con la polarización de CC adecuada.

Ya hemos aprendido cómo en Polarización de CC de BJT se vuelven esenciales para establecer la región operativa requerida y para la amplificación de CA. Para esto, la capa del lado del emisor se dopa de manera más significativa en comparación con el lado de la base, que está dopado de manera menos significativa.

Las capas exteriores se crean con capas mucho más gruesas en comparación con los materiales intercalados tipo p o n. En la Fig. 3.2 anterior, podemos encontrar que para este tipo la proporción del ancho total en comparación con la capa central es alrededor de 0.150 / 0.001: 150: 1. El dopaje implementado sobre la capa intercalada también es relativamente más bajo que el de las capas exteriores que varía típicamente entre 10: 1 o incluso menos.

Este tipo de nivel de dopaje reducido reduce la capacidad de conducción del material y aumenta la naturaleza resistiva al restringir la cantidad de electrones en movimiento libre o los portadores 'libres'.

En el diagrama de polarización también podemos ver que los terminales del dispositivo se muestran usando letras mayúsculas E para emisor, C para colector y B para base, en nuestra discusión futura explicaré por qué se le da esta importancia a estos terminales.

Además, el término BJT se utiliza para abreviar transistor bipolar y se designa a estos 3 dispositivos terminales. La frase 'bipolar' indica la relevancia de los huecos y electrones involucrados durante el proceso de dopaje con respecto a una sustancia polarizada opuestamente.

FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR

Ahora entendamos el funcionamiento fundamental de un BJT con la ayuda de una versión PNP de la Fig 3.2. El principio de funcionamiento de una contraparte NPN sería exactamente similar si la participación de los electrones y los huecos simplemente se intercambiaran.

Como se puede ver en la Figura 3.3, el transistor PNP se ha vuelto a dibujar, eliminando la polarización de la base al colector. Podemos visualizar cómo la región de agotamiento se ve estrecha en ancho debido al sesgo inducido, que causa un flujo masivo de la portadores mayoritarios a través de p- a los materiales de tipo n-.

funcionamiento fundamental de un BJT, portadores mayoritarios de flujo y región de agotamiento

En caso de que se elimine la polarización de base a emisor del transistor pnp, como se muestra en la figura 3.4, el flujo de los portadores mayoritarios se vuelve cero, permitiendo el flujo solo de los portadores minoritarios.

Brevemente podemos entender que, en una situación sesgada una unión p-n de un BJT se polariza hacia atrás mientras que la otra unión está polarizada hacia adelante.

En la figura 3.5 podemos ver que se aplican ambos voltajes de polarización a un transistor pnp, lo que provoca el flujo de portador mayoritario y minoritario indicado. Aquí, a partir de los anchos de las regiones de agotamiento, podemos visualizar claramente qué unión ha funcionado con una condición de polarización directa y cuál está en polarización inversa.

Como se muestra en la figura, una cantidad sustancial de portadores mayoritarios terminan difundiéndose a través de la unión p-n con polarización directa hacia el material de tipo n. Esto plantea una pregunta en nuestras mentes, ¿podrían estos portadores desempeñar un papel importante para promover la corriente de base IB o permitir que fluya directamente al material de tipo p?

Teniendo en cuenta que el contenido de tipo n intercalado es increíblemente delgado y posee una conductividad mínima, excepcionalmente pocos de estos portadores tomarán esta ruta particular de alta resistencia a través del terminal base.

El nivel de la corriente de base normalmente está alrededor de microamperios en lugar de miliamperios para las corrientes de emisor y colector.

El rango más grande de estos portadores mayoritarios se difundirá a lo largo de la unión polarizada inversa hacia el material tipo p unido al terminal del colector, como se indica en la Fig. 3.5.

La causa real detrás de esta relativa facilidad con la que se permite a los portadores mayoritarios cruzar la unión polarizada inversa se comprende rápidamente con el ejemplo de un diodo polarizado inverso donde los portadores mayoritarios inducidos aparecen como portadores minoritarios en el material de tipo n.

Para decirlo de otra manera, encontramos una introducción de portadores minoritarios en el material de la región base de tipo n. Con este conocimiento y junto con el hecho de que para los diodos todos los portadores minoritarios en la región de agotamiento atraviesan la unión polarizada inversa, da como resultado el flujo de electrones, como se indica en la figura 3.5.

flujo portador mayoritario y minoritario en el transistor pnp

Suponiendo que el transistor de la figura 3.5 es un solo nodo, podemos aplicar la ley de la corriente de Kirchhoff para obtener la siguiente ecuación:

Lo que muestra que la corriente del emisor es igual a la suma de la corriente de base y de colector.

Sin embargo, la corriente del colector se compone de un par de elementos, que son portadores mayoritarios y minoritarios, como se muestra en la figura 3.5.

El elemento portador de corriente minoritaria aquí constituye la corriente de fuga y se simboliza como ICO (IC de corriente que tiene un terminal emisor abierto).

En consecuencia, la corriente neta del colector se establece como se indica en la siguiente ecuación 3.2:

La corriente IC del colector se mide en mA para todos los transistores de uso general, mientras que la ICO se calcula en uA o nA.

ICO se comportará como un diodo de polarización inversa y, por lo tanto, podría ser vulnerable a los cambios de temperatura y, por lo tanto, debe cuidarse adecuadamente durante la prueba, especialmente en circuitos que están diseñados para funcionar en escenarios de rango de temperatura muy variables, o de lo contrario el resultado puede ser enorme afectado debido al factor de temperatura.

Dicho esto, debido a las muchas mejoras avanzadas en el diseño de construcción de los transistores modernos, el ICO se reduce significativamente y puede ignorarse por completo para todos los BJT actuales.

En el próximo capítulo, aprenderemos cómo configurar BJT en el modo base común.

Referencias: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen




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