Diodos Bipolares

Contenido

Diodos Bipolares 2

Parametros de los transistores bipolares 3

Parámetro α 3

Ganancia de corriente o parámetro β de un transistor 3

Relación entre los parámetros α y β 4

Tensiones de ruptura 4

Resistencia de entrada 6

Regiones de trabajo 6

Región activa inversa 8

Región de corte 8

Región de saturación 9

Avalancha secundaria. Curvas SOA. 9

Curvas características 11

Características VBE-IB 11

Características VCE-IC 12

Recta de carga del transistor 13

Obtención de la Ganancia a partir de las curvas características 16

Curva de máxima potencia del transistor 16

Influencia de la temperatura ambiente en la potencia máxima de un transistor 18

BJT 19

Dispositivos Unipolares 20

JFET 21

MOSFET 27

Bibliografía 29

Diodos Bipolares

Los dispositivos bipolares son dispositivos semiconductores que basan su proceso de conducción mediante la participación de los dos tipos de portadores de carga (electrones y huecos). Se diferencian de los dispositivos unipolares, en que estos últimos basan su proceso de conducción predominantemente en la participación de un solo tipo de portador. La palabra “transistor” es un acrónimo que procede del inglés (transfer resistor). El transistor bipolar fue inventado en el año 1947 en los Bell Laboratories. Desde esa fecha hasta la actualidad, el transistor ha sufrido cambios y continuas transformaciones, las cuales han revolucionado la industria y el estilo de vida actual.

Básicamente el transistor está formado por dos uniones p-n contrapuestas formando dos posibles estructuras, la p-n-p y la n-p-n. Fig. 1a muestra la estructura tridimensional real de cómo está constituido un transistor bipolar del tipo pnp. La siguiente imagen muestra lo mencionado.

Un modelo unidimensional idealizado es el que aparece en Fig. 1b. La región p+ fuertemente dopada recibe el nombre de emisor, la región estrecha de tipo N recibe el nombre de base y la región débilmente dopada de tipo P se denomina colector. Se va a suponer que la concentración de sustancias dopantes es uniforme en todas las regiones.

En Fig. 1b el modo de operación representado es el modo activo en el cual la unión emisor-base está directamente polarizada y la unión base-colector está inversamente polarizada. Las corrientes que se indican son las pertenecientes a este modo de operación. De acuerdo con la Ley de Kirchhoff aplicada a este dispositivo de tres terminales, basta con conocer dos de las corrientes para saber la tercera.

Si se tratase del caso del transistor npn, las polarizaciones y sentidos de las corrientes en este modo de operación serían inversas. Se discutirá el modo de operación del transistor tomando como base el de tipo pnp pues es el que proporciona una visión más intuitiva del proceso de conducción y del flujo de los portadores de carga. En Fig. 2a y 2b se muestran los símbolos eléctricos del transistor PNP y NPN:

Parametros de los transistores bipolares

Parámetro α

El parámetro α de un transistor indica la relación de semejanza que se produce en la corriente de colector y las variaciones de las corrientes del emisor.

Así por ejejmplo, en el caso de que en un transistor se haya medido una variación de la corriente de colector de 7.92 mA, entre dos puntos de funcionamiento, y una variacioón de 8 mA en la corriente de emisor, tendremos que:

Dado que la corriente de base, suele ser muy pequeña, en la mayor parte de los transistores el valor del parámetro α se acerca a la unidad.

Ganancia de corriente o parámetro β de un transistor

La circunstancia de que una pequeña corriente de base controle las corrientes de emisor y colector mucho más elevadas, indica la capacidad que posee un transistor para conseguir una ganancia de corriente. Así, la ganancia de corriente de un transistor es la relación que existe entre la variación o incremento de la corriente de colector y la variación de la corriente base.

Así, por ejemplo, en el caso de que en un transistor se obtenga una variación de corriente de colector de 8 mA y de 0.08 mA en la corriente de base, la ganancia será:

La ganancia de corriente de los transistores comerciales varía bastante de unos a otros. Así, nos podemos encontrar transistores de potencia que poseen una β de tan sólo 20. Por otro lado, los transistores de pequeña señal pueden llegar a tener una β de 400. Por todo ello, se pueden considerar qe los valores normales de este parámetro se encuentran entre 50 y 300.

En las tablas de especificaciones técnicas, que facilitan los fabricantes de transistores, en vez de utilizarse la β para identificar la ganancia de corriente, se suele utilizar hFE. Así por ejemplo, para el transistor de referencia BC108 se lee en sus hojas de características, una hFE entre 150 y 290; lo que nos indica que la ganancia de corriente de este transistor, puede encontrarse entre estos valores.

¿Cómo es posible que en las hojas de características del transistor BC 108 nos indiquen que posee una ganancia comprendida entre 150 y 290?

La respuesta está en que la ganancia de corriente de un transistor varía de una forma sustanciosa con la corriente de colector. Además, la temperatura ambiente influye positivamente en el aumento de dicha corriente. Hay que pensar que al aumentar la temperatura de la unión del diodo colector aumenta el número de portadores minoritarios y, por tanto, se produce un aumento de la corriente de colector.

Para poder cuantificar este fenómeno, los fabricantes de transistores proporcionan, en las hojas de especificaciones técnicas, curvas de ganancia de corriente, donde se relacionan las variaciones que sufre β con respecto a la corriente de colector y a la temperatura ambiente.

En estas curvas, se puede apreciar cómo la ganancia de corriente aumenta hasta un valor máximo mientras la corriente de colector aumenta; sobrepasado ese límite, para mayores valores de dicha corriente, la ganancia decrece. También, se hace observar la existencia de tres curvas distintas, que indican diferentes condiciones de trabajo para diferentes temperaturas ambiente.

Cuando se diseña un circuito con transistores hay que tener en cuenta estas variaciones de la ganancia de corriente, de lo contrario se podrían cometer errores sustanciales, que invalidarían las condiciones de trabajo requeridas por el diseño inicial.

Relación entre los parámetros α y β

Combinando las expresiones de los parámetros anteriores: α = IC/IE y β = IC/IB y teniendo en cuenta la relación existente entre las diferentes corrientes que se dan en el transistor IE = IC+IB, se pueden encontrar las expresiones matemáticas que relacionen ambos parámetros, tal como se indica a continuación.

Así, por ejemplo, para determinar el parámetro α de un transistor que tuviese una ganancia de corriente de 150, operaríamos así:

Tensiones de ruptura

Al igual que ocurría con los diodos, cuando se polariza inversamente cualquiera de las uniones de un transistor aparecen pequeñas corrientes inversas, que no provocarán la ruptura de dichas uniones si la tensión que se aplica no supera los valores máximos fijados en las hojas de especificaciones técnicas.

1. Tensión inversa colector-base (VCBO) con el emisor abierto

En este caso, la unión formada por la base y el colector están polarizadas inversamente con la tensión VCB. Como ocurría con los diodos, esto provoca la circulación de una pequeña corriente de fuga (ICBO) que no será peligrosa hasta que no se alcance la tensión de ruptura de la unión. Normalmente esta tensión suele ser elevada (del orden de 20 a 300 V).

Nunca deberá trabajarse, por supuesto, con una tensión superior a la indicada por el fabricante en sus hojas técnicas. Este dato suele aparecer indicado con las siglas VCBO.

2. Tensión inversa colector-emisor con la base abierta

En este otro caso, se ha abierto la base, por tanto, se aplica una tensión entre el colector y el emisor que es igual a la suma de las tensiones de las fuentes de emisor a colector. Esta fuerte diferencua de potencial provoca un pequeño flujo de electrones que emite el emisor y que se sienten fuertemente atraídos por el potencial positivo de la fuente. El resultado es una pequeña corriente de fuga de emisor a colector ICEO. Al igual que ocurría anteriormente, el valor de esta corriente está determinado por la tensión colector-base (VCEO) aplicada. En las hojas técnicas también aparece la tensión máxima de funcionamiento (VCEO) que en ningún caso debe ser superada, para evitar el peligro de destrucción del semiconductor.

Así, por ejemplo, para el transistor BC 108, en las hojas de especificaciones técnicas aparecen los siguientes valores para las tensiones de ruptura: VCBO = 30V y VCEO = 20V, lo que significa que este transistor nunca deberá operar con tensiones superiores a estos valores especificados.

Resistencia de entrada

Se podría decir que la resistencia de entrada de un transistor es la que presenta éste, visto desde los bornes de entrada.

Al observar la característica de transferencia del transistor, representada en la figura de abajo, se puede ver que la intensidad de base aumenta con la tensión base-emisor.

Pues bien, a la relación existente entre las variaciones de tensión base-emisor y las de la

...