Transistor BJT

2- Transistores BJT

2.1 Definición

El transistor bipolar de uniones, conocido también por BJT (siglas de su denominación inglesa Bipolar Junction Transistor), es un dispositivo de tres terminales denominados emisor, base y colector. La propiedad más destacada de este dispositivo es que aproxima una fuente dependiente de corriente: dentro de ciertos márgenes, la corriente en el terminal de colector es controlada por la corriente en el terminal de base. La mayoría de funciones electrónicas se realizan con circuitos que emplean transistores, sean bipolares o de efecto de campo, los cuales se estudiarán en el próximo capítulo.

Ambos transistores son, por tanto, los dispositivos básicos de la electrónica moderna. En este capítulo se presentará el comportamiento del transistor bipolar en continua y en régimen dinámico, así como su utilización como interruptor y como amplificador de señales de pequeña amplitud.

2.1 El transistor bipolar. Conceptos básicos

La estructura física de un transistor bipolar consta de dos uniones PN dispuestas una a continuación de la otra. Entre los terminales de emisor y base hay una unión PN, denominada unión emisora, y entre los de base y colector otra unión PN, llamada unión colectora.

Hay dos tipos de transistores bipolares: el NPN y el PNP. Estos nombres proceden de la descripción de su estructura física. En el transistor NPN el emisor es un semiconductor tipo N, la base es tipo P y el colector es tipo N. La estructura física del transistor PNP es dual a la anterior cambiando las regiones P por regiones N, y las N por P. En la figura #1 se representan estos tipos de transistores.

Fig. 1) Tipos y símbolos de transistores bipolares. a) Transistor NPN. b) Transistor PNP

2.3 El transistor bipolar en continua y baja frecuencia

Cuando el transistor trabaja con valores constantes de tensiones y corrientes o éstas varían muy lentamente, los condensadores Ce y Cc pueden despreciarse, tal como se hacía en el diodo, ya que por ellos o no circula corriente o ésta es muy pequeña. En este caso, el modelo del transistor bipolar se reduce a dos diodos y una fuente dependiente.

Se iniciará este apartado describiendo las relaciones entre las tensiones y corrientes en un transistor bipolar trabajando en continua o baja frecuencia a través de las curvas características en emisor común. Después se presentará la metodología de análisis de circuitos con transistores a los que se aplican solamente fuentes de tensión o de corriente constantes.

2.3.1 Curvas características del transistor bipolar en emisor común

Considérese un transistor NPN en configuración de emisor común tal como se indica en la figura #2. Se suele considerar que la entrada del transistor está formada por los terminales de base y emisor y su salida por los colectores y emisores. La relación que existe entre la corriente y la tensión de entrada (iB,vBE) suele darse en forma gráfica mediante las denominadas curvas características de entrada, y la relación entre la corriente y tensión de salida (iC,vCE) mediante las curvas características de salida. Como la entrada y salida del transistor son interdependientes, se acostumbra a representar las curvas de entrada para determinados valores de la tensión de salida vCE, y las curvas de salida para distintos valores de la corriente de entrada iB. En la figura 7.6b se ha sustituido el transistor por su circuito equivalente. Se va a analizar a continuación el comportamiento de este circuito en las distintas regiones de funcionamiento.

Fig. 2) Curvas características del transistor bipolar según el modelo de la figura 7.6b

2.3.1.1 Región de saturación

Cuando el transistor bipolar opera en modo de saturación, las tensiones vBE y vBC son ambas positivas. El modelo del transistor, entonces, no puede simplificarse ya que los dos diodos conducen. Este modelo establece que la corriente de colector viene dada por:

En la última expresión se ha hecho uso de las ecuaciones 7.1 y 7.2 y de la definición del parámetro a. Mientras el transistor opera en la región activa, la corriente de colector vale bFiB, es decir, el primer término de la última igualdad. Cuando vBC se incrementa a partir de cero, el segundo término de la ecuación 7.5 adquiere importancia y, al restar, hace que la corriente de colector primero disminuya y luego cambie de signo.

Nótese que si aR fuera la unidad, la ecuación anterior indicaría que la corriente de colector sería nula para vBC igual a vBE, es decir, para una tensión vCE nula. Como aR es menor que la unidad, vCE será algo mayor que cero cuando iC sea igual a cero. Como la curva característica se traza para un valor fijo de iB, la tensión vBE es constante. Por esto, la disminución de iC tendrá una dependencia exponencial respecto a vCE (vCE=vCB+vBE). En consecuencia,

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