Apuntes de electrónica

El transistor sin polarizar

El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura:

La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia.
 En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo npn, aunque también podría ser un pnp.
En principio es similar a dos diodosUn transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).

Antes y después de la difusiónVamos a hacer un estudio del transistor npn, primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos.

Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B (W_E) y otra en la unión C-B.

El transistor polarizado

Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e inesperados. Hay 3 configuraciones:

• Base común (BC).
• Emisor común (EC).
• Colector común (CC).

Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:

Zona ACTIVA:	UE en Directa y UC en Inversa.	AMPLIFICADORES
Zona de SATURACIÓN:	UE en Directa y UC en Directa.	CONMUTACIÓN
Zona de CORTE:	UE en Inversa y UC en Inversa.	CONMUTACIÓN
Zona ACTIVA INVERTIDA:	UE en Inversa y UC en Directa.	SIN UTILIDAD

Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.

Configuración en BC

La zona que más nos interesa es la zona activa, por lo tanto a continuación analizaremos esta zona. La zona p de base suele ser muy estrecha en la realidad, más tarde veremos porque. En el siguiente dibujo no dibujamos W_E y W_C para no emborronar el dibujo.

El negativo de la pila V_EE repele los electrones de la zona del emisor que cruzan la U_E.
Algunos electrones cruzan la U_E y pasan por la zona p de la base sin recombinarse. Debido a la pila puede que un electrón cruce la barrera de potencial de la U_E. Después ese electrón baja la barrera de potencial de la U_C para salir por el colector.

Esto es el efecto transistor de n a p tiene que subir la barrera de potencial pero luego es más fácil porque tiene que bajar la barrera.
De los electrones emitidos por el emisor, aproximadamente un 1 % se recombina en la base y un 99 % no se recombina y llega al colector, esto es el efecto transistor. La palabra colector viene de ahí, el colector "Colecta" los electrones, los recoge, eso es el "Efecto transistor".
La base es muy estrecha y además está muy poco impurificada, esa es la razón de que la probabilidad de que un electrón se recombine sea muy pequeña (por ejemplo el 1%).
El emisor emite electrones, el colector los recoge, y la base es un dispositivo de control.

Corrientes en un transistor

El convenio que teníamos con el diodo era:

En el transistor también tomamos criterios, todas la corrientes entrantes, es como un nudo.

EJEMPLO: I_E = 100 mA, se recombinan el 1 % y no se recombinan el 99 %. Por lo tanto: I_B = 1 mA y I_C = 99 mA. Los signos como siempre, si va a favor del electrón es negativo y si va en contra positivo.

En los problemas por comodidad se suele cambiar de dirección a I_E para que sea positivo.

Configuración en EC

Esta configuración es la más utilizada. Como en la configuración en BC solo analizaremos la zona activa.

Como en el caso anterior solo el 1 % se recombina y el 99 % no se recombina. La dirección de I_E la cambiamos como en la configuración anterior.

Ganancia de corriente b_cc:

A veces (casi siempre) se desprecia la I_B, por ser muy pequeña, en comparación con la I_C.

Tipos de transistores

En electrónica es muy habitual el hablar de transistores de baja potencia (pequeña señal) y de transistores de potencia (gran señal). Es una forma muy sencilla de diferenciar  a los transistores que trabajan con potencias relativamente pequeñas de los transistores que trabajan con potencias mayores.
Transistores de baja potencia
Se le llama transistor de baja potencia, o pequeña señal, al transistor que tiene una intensidad pequeña (I_C pequeña), lo que corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de transistores interesará obtener b_cc grandes (b_cc = 100 ÷ 300).

Transistores de potencia
Se le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande (I_C grande), lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de transistores la b_cc que se puede obtener en su fabricación suele ser bastante menor que en los de baja potencia (b_cc = 20 ÷ 100).

Curva característica de entrada

Si variamos el valor de la pila V_BB de la malla de entrada, tomando valores de I_B y V_BE podemos obtener la característica de (la malla de) entrada.

Como vemos, el la característica del diodo base-emisor, y tiene una forma exponencial.

Curva característica de salida

Analizamos la malla de salida y obtenemos distintas curvas para diferentes valores de I_B.
Ajustando V_BB fijo un valor de I_B que voy a mantener constante (por ejemplo I_B = 10 mA). Ahora variando V_CC mido valores de V_BE y I_C y obtengo la correspondiente curva de I_B= 10 mA. Hago lo mismo para I_B = 20 mA, etc... Y así sucesivamente para diferentes valores de I_B.

En cada una de estas curvas hay diferentes zonas:

U_E = diodo EB = Unión de Emisor.
U_C = diodo CB = Unión de Colector.

• Zona entre 1 y 2: ZONA DE SATURACIÓN.
  • U_E directa.
  • U_C directa.
• Zona entre 2 y 3: ZONA ACTIVA.
  • U_E directa.
  • U_C inversa.
• Zona a partir de 3: ZONA DE RUPTURA.
  • U_E directa.
  • U_C muy en inversa.

Recordar que en activa conociendo el valor de I_B se puede calcular la I_C (I_C = b_cc · I_B).

La zona de corte es desde I_B = 0 hacia abajo (zona rallada) y no conduce
Veamos para que sirve cada zona:

• ACTIVA: Amplificadores y demás Circuitos Lineales

• CORTE Y SATURACIÓN: Conmutación (Corte abierto y Saturación cerrado).

En este caso el control es por corriente.

Comparación con el diodo:

Con el diodo el control es por tensión.

• RUPTURA: Avalancha, se destruye el transistor.

Ahora vamos a ver como pasamos de una zona a otra.
EJEMPLO:

Una vez obtenido esto, el valor y el signo de las tensiones nos dirá en que zona estamos trabajando.

Para pasar de una zona a otra, de saturación a activa, se varía la U_C de directa a inversa.

Si la V_CE se encuentra entre 0 V y 0,2 V, la U_C está en directa y el transistor está en Saturación. Si V_CE es mayor o igual a 0,2 V la U_C está en inversa y por lo tanto en transistor está en Activa.

CORTE:
Analizaremos ahora lo que ocurre en Corte.

La I_B = 0, pero vamos a ver lo que ocurre internamente.

Hay "Portadores minoritarios generados térmicamente" en la zona p de la base que crean una pequeña corriente llamada I_CEo (corriente entre colector y emisor, esta "o" significa open = abierto en inglés, y quiere decir que el circuito está abierto por la base).
I_CEo = Corriente de corte de minoritarios.

De ese valor hacia abajo se pone una pila que polarice la U_E en inversa, de la siguiente forma: