1. EL TRANSISTOR
Se llama transistor (del inglés: transfer resistor, “resistor de
transferencia”) a un tipo de dispositivo electrónico semiconductor,
capaz de modificar una señal eléctrica de salida como respuesta a una de
entrada.
Tiene varias aplicaciones, sirviendo como amplificador, conmutador,
oscilador o rectificador de la misma.
2. Es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de
material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una
de material tipo n. El primero se llama transistor npn y el segundo transistor pn.
3. Operación de un transistor bipolar de
unión
Considera al transistor ilustrado en la figura se
trata de un BJT tipo npn.
Por ahora, se llamaran a sus terminales, 1, 2 y
3 de izquierda a derecha, respectivamente.
Las capas cuyas terminales son 1 y 2 integran
un diodo de unión p-n, mientras que la 2 y 3,
de manera similar, forman otro diodo.
Aplicando sendas fuentes de polarización a los diodos, lo cual permite
tener las siguientes posibilidades:
Ambos diodos polarizados inversamente.
Ambos diodos polarizados directamente.
Diodo 1-2 en polarización inversa, diodo 2-3 en polarización directa.
Diodo 1-2 en polarización directa, diodo 2-3 en polarización inversa.
4. Ambos diodos polarizados
inversamente
Al haber atracción del polo positivo de la fuente
V12 hacia los portadores mayoritarios del
material tipo n, donde hace contacto, provoca
que éstos se alejen de la unión p-n aumentando
el tamaño de la región de agotamiento en la
unión. Los electrones que emanen del polo
negativo de dicha fuente tendrían como única
vía la terminal 2 hacia el material p, algunos de
ellos se recombinarían con algunos huecos de
este material, pero no lograrían superar la
barrera de energía que se ha formado por el
incremento de la región de agotamiento.
El resultado es que el diodo 1-2 se encuentra en estado de no conducción o
“apagado”, la corriente ID12 = 0 mA. En el diodo 2-3 se presenta una situación
similar. Se dice que el transistor está en estado de corte.
5. Ambos diodos polarizados directamente
El polo negativo de cada fuente de
polarización ejerce una fuerza de repulsión
sobre los portadores mayoritarios de los
materiales tipo n, acercándolos a la unión p-
n en cada diodo, en tanto que el polo positivo
de cada fuente ejerce una fuerza de
atracción hacia los mismos
Se estrecha la región de agotamiento y los portadores mayoritarios son
capaces de superar la barrera de energía en la unión. Se da el fenómeno
de la conducción en ambos diodos por estar polarizados directamente. La
corriente tiende a aumentar, limitada solamente por las características del
cristal y por la magnitud del voltaje de polarización. Se dice que el
transistor se encuentra en estado de saturación.
6. Diodo 1-2 en polarización inversa, diodo 2-3 en polarización
directa
Si el diodo 1-2 está polarizado inversamente, actuará como corte o
“apagado”, no circulan las cargas eléctricas (I12 = 0 mA), mientras que en el
diodo 2-3 habrá una corriente eléctrica ID > 0, por estar polarizado
directamente.
7. Diodo 1-2 en polarización directa, diodo 2-3 en polarización inversa
Se espera que el diodo 1-2 esté en conducción (ID > 0) y el diodo
2-3 en corte (ID = 0); sin embargo, en el diodo 2-3 no sucede lo
que estamos esperando.
El polo negativo de la fuente V12, conectada al material n del diodo
1-2 polariza al diodo directamente, ejerciendo repulsión sobre los
portadores mayoritarios (electrones), acercándolos con esto a la
unión p-n(1-2). El polo positivo de esta misma fuente (V12), ejerce
atracción sobre ellos a través de la terminal 2; algunos de estos
electrones libres
siguen esta trayectoria y se reincorporan a la fuente de
polarización V12. Pero observa que el polo positivo de la fuente V23
que polariza inversamente al diodo 2-3, también ejerce atracción
sobre los electrones libres del material n del diodo 1-2; y con ello
les agrega energía.
La pieza de material tipo p del centro (terminal 2) se ha construido deliberadamente delgada y con muy
pocas impurezas; esto facilita que casi todos los portadores mayoritarios del material n (terminal 1) crucen
la unión p-n(1-2), atraviesen la pieza de material tipo p (terminal 2) y continúen su viaje hasta penetrar al
material n (terminal 3), ocupando cada vez los huecos disponibles, hasta salir del cuerpo del cristal e
incorporarse a la fuente de polarización V23 a través de su polo positivo, que es el que los atrae.
8. Diodo 1-2 en polarización directa, diodo 2-3 en polarización inversa
Lejos de lo que se hubiera podido pensar, hay
corriente desde el material n (terminal 1) hasta el
material n (terminal 3), pasando por el material p, de
en medio. Se dice que el transistor está en
operación.
El fenómeno que se presenta en el último caso fue
determinante para asignar un nombre, en vez de
número, a cada una de las tres partes del transistor
bipolar de unión (BJT). A la terminal con el número
1, se le denomina emisor; a la terminal 3 se le llama
colector y a la terminal del centro (2) se le llama la
base.
Observa que el nombre corresponde perfectamente
a la función que cada una de las partes realiza para
la conducción de las cargas eléctricas.
9. Cuando el transistor BJT se encuentra en condiciones de saturación o corte, el
dispositivo se utiliza como un conmutador porque prende o apaga.
Cuando está en condiciones de operación, su funcionamiento será el de un
amplificador.
Se ha analizado la operación de un transistor tipo npn; sin embargo, para un
transistor tipo pnp, se presenta el fenómeno de la conducción desde el emisor
hasta el colector, invirtiendo las polaridades en las fuentes; siempre que se
polarice directamente al diodo emisor-base e inversamente al diodo base-
colector.
Con la finalidad de facilitar la comprensión de un fenómeno tan complejo,
como es el que se presenta en la conducción de cargas en un BJT, en el
análisis se ha considerado el movimiento real de los electrones, lo que se
llama el sentido real de la corriente, mediante representaciones esquemáticas.
Recuerda que en la mayoría de los textos relacionados con la corriente
eléctrica se utiliza el sentido convencional; precisamente al contrario de lo que
ahora se ha tomado en cuenta, para efectos de explicación. En lo sucesivo
seguiremos utilizando el sentido convencional de la corriente.
10. OPERACIÓN DEL TRANSISTOR
Una unión p-n de un transistor se polariza en directamente y la otra unión p-n se póliza inversa.
El componente de corriente de portadores
minoritarios se llama corriente de fuga y se le
da el símbolo ICO [corriente IC con el emisor
abierto (Open)]
Puesto que la corriente de base
es muy pequeña
El alfa de continua (simbolizada por
ᾳdc)
La beta de continua (simbolizada por
11. • Para transistores de uso general, IC se mide en miliamperes e ICO en
microamperios o nano amperios. ICO, como la Ispara un diodo polarizado en
inversa, es sensible a la temperatura y hay que examinarla con cuidado
cuando se consideren aplicaciones de amplios intervalos de temperatura.
• Puede afectar severamente la estabilidad de un sistema a alta temperatura si
no se considera como es debido. Mejoras en las técnicas de construcción han
reducido significativamente los niveles de ICO, al grado en que su efecto a
menudo puede ser ignorado
13. Esta figura esquematiza una
manera de visualizar más a
detalle el fenómeno del lujo de
cargas a través del transistor tipo
npn.
Se aprecia una lecha que representan el movimiento real de los electrones
viajando a través de la ruta emisor⇒ base ⇒ colector⇒ exterior; se trata de los
portadores mayoritarios presentes en el material tipo n de la terminal emisor.
Una pequeña parte de estos portadores se desvía a través de la base hacia el
exterior, atraídos por el potencial positivo de la fuente que polariza al diodo
emisor-base. Hay otra lecha, de menor tamaño y en el mismo sentido que la
anterior, que representa el movimiento de electrones que provienen de la base
(portadores minoritarios en el material tipo p), atraídos por el potencial positivo
de la fuente que polariza al diodo base-colector, siguiendo la ruta base⇒
14. Se puede llegar a la conclusión de
que la corriente que pasa por
colector (IC) está formada por la suma
de los portadores mayoritarios
provenientes del emisor y portadores
minoritarios provenientes de la base;
todos viajando hacia el colector,
atraídos por el potencial positivo que
polariza inversamente al diodo base-
emisor.
A la corriente debida a portadores minoritarios provenientes del material
tipo p, se le conoce como corriente de fuga (ICO), que equivaldría a la
corriente de saturación inversa IS en un diodo rectificador. Esto se puede
representar así:
Dadas las magnitudes de estas dos corrientes, la que forman los portadores
mayoritarios es del orden de los miliamperes, mientras que la debida a
portadores minoritarios es del orden de micro o nanoamperios, lo que
significa que para fines prácticos se puede considerar como despreciable.
