TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLARES

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El transistor de unión bipolar (simbolizado por BJT, siglas de bipolar junction transistor) es un dispositivo de tres terminales y contiene dos diodos PN uno a continuación de otro en sentidos opuestos. Las tres zonas correspondientes a los tres terminales tienen nombres que indican la función que realizan. El emisor emite o lanza portadores de carga hacia el interior de la base, en la cual se ejerce el gobierno de dichos portadores; al final, los portadores se recogen en la zona llamada colector. El nombre de <<base>> proviene del desarrollo histórico del transistor que, en un principio, se construía aleado las zonas del emisor y colector con una muestra relativamente grande de semiconductor contaminado. Dicha muestra servía de base para la fabricación y de aquí que tomara tal nombre la zona correspondiente.

La base está situada entre las zonas de emisor y colector, las cuales tienen igual tipo de contaminación y forman con aquellos dos diodos. La contaminación de la base es siempre del tipo opuesto al de las zonas de emisor y colector. En consecuencia habrán dos tipos de BJT: el primero, tiene la base de tipo N y el emisor y el colector de tipo P; el segundo, tiene la base de tipo P y el emisor y el colector de tipo N. estos dos tipos de transistores se denominan PNP y NPN, respectivamente; el tipo de contaminación de la base corresponde a la letra central.

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Para la fabricación de esos dos tipos de transistores se utilizan métodos muy variados. Ya hemos estudiados uno –la difusión- al tratar de los diodos. En la fabricación de transistores se repite el mismo proceso básico, cambiando algunas dimensiones. Las tres primeras etapas van seguidas de nuevos procesos de oxidación, enmascaramiento, ataque químico y difusión. En este caso forman una estructura NPN de un transistor de unión. Este proceso se sigue en la fabricación de transistores individuales y también en la de circuitos integrados (CI) con otros muchos componentes en las mismas pastillas. Es importante la geometría.

La zona de emisor está rodeada por la base, la cual está rodeada, a su vez, por el colector. Según veremos, esta disposición proporciona el funcionamiento más eficaz del transistor.

Otro método común de la fabricación de transistores es por crecimiento epitaxia. En este proceso, la estructura PNP o NPNP se forma haciendo crecer zonas una sobre otra. El transistor resultante se denomina transistor mesa a causa de su aspecto al ser observado microscópicamente.

También suelen seguirse procesos que utilizaran una combinación de crecimiento epitaxia, difusión y aleación. Además podemos utilizar geometrías muy diversas. A pesar de todo, cualesquiera que sean la geometría o la técnica de fabricación, el funcionamiento de todos los transistores de unión se basa en los mismos principios.

CORRIENTES EN EL TRANSISTOR DE UNION

Una manera fácil de recordar el convenio de los símbolos es notar el sentido de la flecha del terminal de emisor. Si apunta hacia adentro, indica que es un transistor PNP, si hacia afuera indita que es un NPN.

Veamos cómo funciona un BJT. Hagamos circular por el una corriente relativamente intensa, la cual se gobierna desde la base, intensificándola o debilitándola. Como primer ejemplo vamos a utilizar un transistor NPN y luego extenderemos nuestros estudios a los PNP.

En un transistor NPN, los electrones son portadores mayoritarios en el emisor. Para que atraviesen la unión base-emisor y penetren la base, se aplica una tensión exterior entre los terminales de base y de emisor. La base y el emisor constituyen un diodo que deberá estar polarizado directamente para hacer que atraviesen la unión los portadores mayoritarios, que en el emisor tipo N son los electrones. Estos, una vez han penetrado en la base tipo P, se difunden por ella.

Algunos alcanzan el terminal de base y salen al circuito exterior; otros alcanzan la unión base-colector. Para que los electrones atraviesen la unión desde la base tipo P al colector tipo N, entre los terminales de colector, y base deberemos aplicar una polarización inversa. De esta manera, los electrones que partieron del emisor y alcanzan el colector constituyen la corriente principal, mientras que los que salieron por el terminal de base constituyen la débil corriente de gobierno.

Sin embargo, no hemos tenido en cuenta todas las corrientes que circulan por el BJT. A consecuencia de la polarización directa de la unión base-emisor, no solo cabe esperar la inyección de electrones en la base sino también la de huecos que pasen de la base al emisor. Ahora bien, aunque esto es cierto, el efecto de los huecos sobre la corriente total que circula por el transistor es mínimo, ya que la base está muy poco contaminada mientras que el emisor lo está fuertemente. Así se construye, expresamente el BJT.

Por tanto, cuando se polarice en sentido directo la unión, el emisor tipo N fuertemente contaminado ofrecerá un gran número de electrones para la conducción, mientras que la base de tipo P poco contaminada podrá ofrecer pocos huecos. Resulta pues, que la corriente que atraviesa la unión base-emisor de un transistor NPN se deberá en esencia, al movimiento de electrones.

En la unión colector-base, la polarización inversa transporta de la base al colector electrones que partieron del emisor. Junto a esta acción, la polarización inversa hace que circule otra corriente a través de la unión colector-base. Dicha corriente está constituida por los portadores minoritarios tanto de la base como del colector; es muy débil. Se denomina corriente inversa de saturación colector-base, o corriente de corte de colector y su intensidad suele simbolizarse.

La segunda se realizó después de calentar la envolvente del transistor colocando una cerilla en su proximidad. Para una misma intensidad de base, se observa una corriente de colector más intensa a la temperatura más elevada.

Esta diferencia se debe al aumento de intensidad de la corriente de fuga del colector I así como un pequeño incremento de B. la corriente de fuga de colector duplica, aproximadamente, su intensidad I cada 10 C de incremento de temperatura. Las características de salida EC depende de (B + 1)I. por tanto, el cambio más despreciable debido a la elevación de temperatura lo encontramos en las características EC.

En general, podemos decir que los parámetros y características de un transistor son muy sensibles a la temperatura. Cuando proyectemos un círculo, deberemos tener en cuenta esto y proporcionar una buena disipación del calor.

No vamos a estudiar aparte las características CC de un transistor, pues puede demostrarse que la configuración CC puede tratarse como caso particular de la EC.

VALORES NOMINALES DE UN TRANSISTOR

Se fabrican millares de BJT diferentes, tanto de silicio como de germanio. PNP y NPN, así como otros muchos de tipos de construcción muy diversos.

El que haya tal variedad de tipos de transistor se debe, principalmente a que son tan variadas las aplicaciones en las que se utilizan transistores. Se dispone fácilmente de transistores que valgan desde pocas pesetas hasta varios miles, cuando sean para fines especiales o para frecuencias ultra elevadas.

Para ayudar al usuario a seleccionar el transistor adecuado para una aplicación particular, así como para proporcionar especificaciones de los transistores, los fabricantes de emisor circula hacia el interior en un transistor PNP, las corrientes de base y colector circulan hacia afuera.

Tomando la suma algebraica de la intensidad en terminales de un transistor PNP se tiene el mismo resultado para el transistor NPN.

Es siempre conveniente indicar mediante flechas los sentidos de las corrientes en terminales. Podemos estar seguros de indicar los sentidos reales en condiciones normales de funcionamiento si utilizamos la flecha del emisor del símbolo del transistor para obtener el sentido real de la corriente de emisor.

CARACTERISTICAS ESTATICAS DE UN BJT

Cuando el transistor funcione como amplificador, aplicamos la entrada entre dos terminales y obtenemos la salida amplificada entre otros dos. El transistor solo tiene tres terminales, por lo que uno de ellos será común a la entrada y la salida. Dad la versatilidad del BJT podrá funcionar como uno cualquiera de sus tres terminales como terminal común. La configuración suele denominarse por el terminal común, es decir, base común (BC) transmisor común (EC) y colector común (CC).

Las características estáticas del BJT en cualquiera de las tres configuraciones relación en los terminales de entrada para diferentes valores de un parámetro (la intensidad o la tensión de salida). El otro, las características de salida, da la relación V-I en los terminales de salida, tomando como parámetro la intensidad o la tensión de entrada.

POLARIZACION DE LOS TRANSISTORES DE UNION, ESTABILIDAD DE LA POLARIZACION Y MODELOS PARA SEÑAL DEBIL

Una vez polarizado adecuadamente el transistor, lo consideraremos como dispositivo puerta y examinaremos sus características como tal. En este análisis supondremos que el funcionamiento tiene lugar en una parte reducida de la zona activa en la cual el transistor funcione de manera razonablemente lineal. El análisis conducirá a un estudio de modelos para señal alterna débil que puedan utilizarse  para determinar las características de funcionamiento de los transistores en el caso de que se débil la señal.

Polarización:

En lo que sigue, vamos a utilizar aproximaciones. Puede parecernos confuso ver que cierta magnitud se desprecie en unos casos y en otros se conserve en el análisis. La clave de cuándo y porque pueda ignorarse algo, reside en la comparación de la magnitud en cuestión con alguna otra magnitud. Por ejemplo, en un circuito serie no podremos despreciar una caída de tensión de 0.5 V si la caída de tensión total en los elementos de interés es de 2 o 3 V. en cambio, la misma tensión de 0,5 V podrá ignorarse en otro circuito donde la caída de tensión total que se considere exceda de ella en, por ejemplo, 10 V. podemos considerar que, en líneas generales, cuando una cantidad sea superior a otra en un orden de magnitud, al menos (un orden de magnitud quiere decir 10 veces mayor=, podrá despreciarse la menor de ellas conservándose la aproximación que da la regla de cálculo.

Para establecer el funcionamiento adecuado del BJT, la unión base emisor deberá estar polarizada directamente y la unión colector base inversamente. el circuito de la figura 4-1, llamado circuito de polarización fija, proporciona al transistor la polarización adecuada para el funcionamiento normal.

El punto de partida del análisis es la definición de las polaridades y sentidos de tensiones y corrientes en el circuito. En el caso de transistor NPN, las corrientes de colector y base penetran en el transistor. Aun cuando aquívamos a analizar transistores NPN, el método será igual aplicable a transistores PNP sin más que invertir las polaridades de las fuentes de alimentación, tensiones y corrientes.

En lo que sigue queremos determinar el punto de trabajo Q o punto de reposo. Dicho punto se especifica por medio de la intensidades de base y colector, así como por la tensión colector-emisor que establecen los valores específicos de la tensión V cc de la fuente de alimentación y de las resistencias de polarización R, y Rc.Las tensiones e intensidades del transistor correspondientes al punto de trabajo las representaremos agregando al símbolo un subíndice Q. así pues, I representaría la intensidad de base en reposo. Supondremos conocidas Vcc y las resistencias de polarización, así como los parámetros del transistor necesarios.

RECTIFICADORES Y FILTROS

Ya hemos visto que la mayoría de dispositivos precisan de una alimentación de tensión continua que establezca un punto de trabajo para operar con señales variables en el tiempo. En este capítulo vamos a examinar algunos de los bloques constitutivos de un sistema que convierta la tensión alterna de 50 Hz de que se dispone, en una tensión continua. A un tal sistema se le llama fuente de alimentación y su complejidad varía según sea su aplicación. En el capítulo 16 se verá la fuente de alimentación completa.

El componente más importante de una fuente de alimentación es el rectificador. Convierte la corriente alterna en una corriente unidireccional que contiene una componente variable con el tiempo además de una componente cont6inua (o media). La componente variable con el tiempo de la salida rectificada, llamada rizado, suele ser nociva; sus efectos se minimizan por medio de filtros adecuados. En este contexto, un filtro ideal es una red bipuerta que deja pasar la corriente continua pero que bloquea con eficacia toda red alterna. No existe el filtro ideal, por lo que aplicaremos, el termino <<Frilto>>  a toda red bipuerta (cuadripolo) que tenga una componente  de rizado que sea menor en sus terminales de salida que en los de entrada.

RECTIFICADORES DE MEDIA ONDA

La entrada alterna suele ser de 125 V eficaces a 50 Hz. Suele acoplarse al rectificador por medio de un transformador, tal como se indica. El transformador, o eleva o reduce la tensión alterna, según sea la magnitud de la tensión continua que se desee. El convenio de los puntos en el transformador indica que si la corriente de entrada penetra por el lado del punto y viceversa. Es más, si la tensión de entrada es tal que sea positivo el terminal con punto, la tensión en los terminales de salida será tal que el terminal con punto será positivo.

Cuando a la entrada se aplica una tensión alterna sinusoidal, como la representada en la figura 8-2 (a), entre los terminales de salida del transformador aparecerá una tensión alterna semejante, de mayor o menor valor. Durante el primer hemiciclo de la tensión de entrada, en el circuito penetrara una corriente porque el ánodo del diodo se hace positivo respecto al cátodo. En el diodo polarizado directamente habrá una como durante el primer bemicio circular y durante el segundo, circulara corriente de salida durante todo el ciclo de aquí el nombre de rectificador de onda completa.

Otro tipo de rectificador de onda completa, llamado rectificador puente, es el representado en la figura 8-5. El rectificador puente presenta ciertas ventajas frente al rectificador de onda completa de dos diodos. Presenta una tensión inversa inferior por diodo y elimina el transformador con la toma central, si bien precisa de cuatro diodos en vez de los dos del rectificador antes tratado.

El funcionamiento del rectificador puente es análogo al del rectificador de onda completa convencional. Los diodos funcionan por parejas. Durante el primer hemiciclo de la entrada, mientras V, es positiva D1 y D2 están polarizados directamente y D3 y D4 lo están inversamente por lo que constituye verdaderos circuitos abiertos. D1 y D2 proporcionan un camino para la corriente que pasa por la resistencia de carga RL, según se indica en la figura 8-6.

Cuando, durante el segundo hemiciclo, se convierte la poralidad de la tensión de entrada, se convierten en circuitos abiertos; D3 y D4 se polarizan directamente y proporcionan un camino para la corriente que atraviesa RL, según se indica en la figura 8-7. La corriente que recorre RL, de intensidad i, lo hace en el mismo sentido (en este caso, de izquierda a derecha) durante los dos hemiciclos. En la figura 8-8 pueden verse utilizando este valor eficaz y el valor de la componente continua dado por (8-4), tendremos para el factor de rizado del rectificador de media onda.

Por tanto, el factor de rizado de un rectificador de media onda resulta muy elevado. Idealmente, queremos que la componente alterna sea lo menos posible, o sea que el factor de rizado sea tan próxima a cero como sea posible.

RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

En las aplicaciones que requieran un pequeño rizado y una componente continua intensa, el rectificador de media onda resulta inadecuado a causa de su factor de rizado un tanto elevado y débil componente continua. En tales casos, podemos lograr un mejor funcionamiento mediante un rectificador de onda completa, como el representado en la figura 8-3.

En el circuito rectificador de onda completa, se aplica la entrada alterna a un transformador con toma central en el secundario. El circuito de dos diodos  funciona como pareja de circuitos rectificadores de media onda; es decir, durante el homicida positivo de la entrada conduce un rectificador de media onda y el otro está bloqueado. Durante el hemiciclo negativo de la entrada se convierte la operación.

Si durante el hemiciclo positivo (entre 0 y R) aplicamos una entrada sinusoidal del tipo ilustrado en la figura 8-4, el diodo D1 se polariza directamente y el D2 en sentido inverso, con lo que circula corriente a través de D1 mientras que D2 constituye en circuito abierto. Cuando se haga negativa la tensión de entrada (entre R y 2R), D1 estará polarizado inversamente y será un circuito abierto, mientras D2 lo estará directamente y conducirá. La intensidad de la corriente de salida se puede determinar a sumando las intensidades de las corrientes en el nudo A de la figura 8-3.

Vemos de manera inmediata que el factor de rizado es inferior en el rectificador de onda completa, por lo que la componente alterna de la salida rectificada será también inferior en el rectificador de onda completa que en el de media onda.

Aun cuando el rectificador de onda completa mejora la componente alterna, en la mayoría de aplicaciones el rizado resulta excesivo y para reducirlo se suele filtrar la salida rectificada.

FILTROS PARA RECTIFICADORES

Para filtrar la salida de un rectificador pueden utilizarse muchas redes bipuerta diferentes. Independientemente de los sencillos o complicados que puedan ser lo filtros, su funcionamiento se basa en la acción de ciertos elementos reactivos: Condensadores, bobinas o ambas cosas. En la figura 8-9 pueden verse dos filtros sencillos de un solo elemento. En el filtro inductivo, se conecta una bobina de autoinducción en serie con la carga. La tensión rectificada, que contiene componentes continúa y alternas.

A la combinación inductancia resistencia, dividiéndose entre ambas. La inductancia presenta una resistencia casi nula a la corriente continua y no presentara caída de tensión continua apreciable entre sus terminales, por lo que casi toda la tensión continua aparecerá entre los extremos de la resistencia. En cambio, la impedancia de la bobina es muy elevada para las componentes alternas de la corriente, por lo que la mayor parte de la tensión alterna aparecerá en dicha bobina. La acción filtrante de esta puede, también, considerarse desde otro punto de vista.

 

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