Qué es un transistor de unión bipolar y su funcionamiento

El BJT fue inventado en 1948 por William Shockley, Brattain y John Bardeen, y ha remodelado no sólo el mundo de la electrónica, sino también nuestra vida cotidiana. El transistor de unión bipolar utiliza ambos portadores de carga que son electrones y huecos. Por el contrario, los transistores unipolares, como los de efecto de campo, sólo utilizan un tipo de portador de carga.

Para su funcionamiento, el BJT utiliza dos tipos de semiconductores de tipo n y de tipo p entre dos uniones. La principal función básica de un BJT es amplificar la corriente, lo que permite que los BJT se utilicen como amplificadores o interruptores para producir una amplia aplicación en equipos electrónicos, como teléfonos móviles, control industrial, televisión y transmisores de radio. Existen dos tipos diferentes de BJT, que son NPN y PNP.

¿Qué es un transistor de unión bipolar (BJT)?

El transistor de unión bipolar es un dispositivo de estado sólido y en estos transistores, el flujo de corriente en dos terminales son el emisor y el colector, y el flujo de corriente controlado por el tercer terminal es el terminal base. Es diferente del otro tipo de transistor, es decir, del transistor de efecto de campo, en el que la corriente de salida está controlada por la tensión de entrada. A continuación se muestra el símbolo básico de los BJT de tipo n y de tipo p.

¿Por qué el BJT se llama bipolar?

Un BJT es un dispositivo semiconductor de 3 terminales, como su nombre indica, el término bipolar se debe a que este tipo de transistor incluye dos tipos de materiales semiconductores como el tipo P (tipo positivo) y el tipo n (tipo negativo), donde la corriente fluye desde estas regiones Normalmente, estos transistores incluyen Silicio.

Construcción del transistor de unión bipolar

La construcción del BJT determinará sus características de funcionamiento. Así, la construcción del BJT puede realizarse mediante tres secciones semiconductoras dopadas que se separan mediante dos uniones PN. Este transistor incluye tres capas: base, emisor y colector. Estos transistores están disponibles en dos tipos: PNP y NPN y su estructura física se muestra a continuación.

En el NPN, incluye dos regiones N separadas por una región P, mientras que en el PNP, incluye dos regiones P y se separa con una región N. En el BJT, el término bipolar se refiere a la utilización de ambos portadores de carga, como electrones y huecos, dentro de la estructura.

Cuando la unión PN conecta la región base y la emisora, se conoce como unión BE. Del mismo modo, cuando la unión PN conecta la base y la región del colector, se conoce como unión BC. Un cable se une a cada región y estos cables se denominan C, B y E para el colector, la base y el emisor respectivamente.

La región de la base (B) está ligeramente dopada y es muy fina en comparación con el terminal del emisor, que está muy dopado, y la región del colector, que está algo dopada. Los símbolos esquemáticos de los BJT NPN y PNP son los siguientes

Terminales del BJT

El BJT incluye tres terminales como la base, el emisor y el colector, que se comentan brevemente. La representación de los símbolos de los transistores NPN y PNP puede hacerse de la siguiente manera. El símbolo de la flecha en el terminal emisor está siempre presente y la dirección de la flecha representará el flujo de corriente debido a los portadores de carga.

Terminal emisor

El terminal emisor emite los portadores de carga, como agujeros o electrones, a los otros dos terminales. El terminal de la base siempre tiene un sesgo inverso con respecto a los demás terminales, como el emisor, para que pueda producir enormes portadores mayoritarios. En el BJT, el emisor es la región más dopada.

La unión emisor-base debe estar conectada en polarización de avance en los dos transistores, como PNP y NPN. El terminal del emisor proporciona electrones hacia la unión EB dentro del transistor NPN, mientras que suministra portadores de carga como huecos a la misma unión dentro del transistor PNP.

Terminal de colector

La parte del reverso del terminal emisor recogerá los portadores de carga emitidos, lo que se denomina colector. Por lo tanto, este terminal está fuertemente dopado, pero el nivel de dopaje de este terminal se encuentra entre el terminal base, que está ligeramente dopado, y el terminal emisor, fuertemente dopado. La unión CB debe estar en polarización inversa en ambos transistores.

La razón principal de esta polarización es eliminar los portadores de carga de la unión CB. El terminal de colector del transistor NPN recoge los electrones que se emiten a través del terminal emisor, mientras que en el transistor PNP recoge los huecos que se emiten a través del terminal emisor.

Terminal de la base

El terminal de base es la parte central entre los terminales de colector y emisor, que forma dos uniones PN entre ellos. El terminal base es el segmento más ligeramente dopado del transistor. Por lo tanto, al ser la parte central del BJT le permitirá gestionar el flujo de portadores de carga entre los terminales de emisor y colector. La unión BE presenta una resistencia elevada, ya que esta unión puede conectarse en polarización inversa.

Funcionamiento del BJT

El transistor de unión bipolar se clasifica en dos tipos, PNP y NPN, en función del tipo de dopaje de los terminales. En el transistor NPN, hay dos uniones semiconductoras que tienen una fina región anódica dopada con "P", mientras que el transistor PNP incluye dos uniones semiconductoras que incluyen una fina región catódica dopada con "N".

El flujo de carga dentro de un transistor se debe a la difusión del portador de carga entre las dos secciones que pertenecen a diferentes concentraciones de portadores de carga. La sección emisora está altamente dopada en comparación con las demás capas.

Las dos capas, como la base y el colector, incluyen las mismas concentraciones de portadores de carga. Por lo tanto, entre estas tres uniones, la unión BE puede conectarse en polarización directa y la unión BC en polarización inversa. El funcionamiento del BJT puede realizarse en tres regiones diferentes como la activa, la de saturación y la de corte.

Región activa

En esta región, una unión está conectada en polarización directa, mientras que la otra está conectada en polarización inversa. Aquí, la corriente de base (Ib) se utiliza para controlar la cantidad de Ic (corriente de colector). Así pues, la región activa puede utilizarse principalmente con fines de amplificación donde este transistor funciona como un amplificador a través de una ganancia "β" con la siguiente ecuación

Ic = β x Ib

La región activa también se denomina región lineal y se encuentra entre las dos regiones de corte y saturación. El funcionamiento típico de este transistor se produce dentro de esta región.

Región de saturación

En esta región, los transistores tienen ambas uniones conectadas en polarización de avance. Por tanto, esta región se utiliza principalmente para el estado ON de un interruptor donde sea;

Ic = Isat

Aquí, "Isat" es la corriente de saturación y es la mayor cantidad de flujo de corriente entre los dos terminales, tanto el emisor como el colector, una vez que el transistor está conectado en la región de saturación. Como estas uniones están conectadas en polarización de avance, el transistor funciona como un cortocircuito.

Región de corte

En esta región, las dos uniones del transistor están conectadas en polarización inversa. Aquí este transistor funciona como la condición de apagado de un interruptor siempre que

Ic = 0

En la región de corte, el funcionamiento es totalmente inverso al de la región de saturación. Por lo tanto, no hay alimentación exterior conectada. Si no hay corriente de colector, no hay corriente de emisor.
En este método, el transistor funciona como un estado apagado del interruptor, y este modo se puede conseguir disminuyendo la tensión de la base por debajo de la tensión tanto del emisor como del colector.
Vbe < 0,7

Tipos de transistores de unión bipolar

Como hemos visto, un semiconductor ofrece menos resistencia al flujo de corriente en una dirección y una alta resistencia en otra dirección, y podemos llamar transistor al modo de dispositivo del semiconductor. El transistor de unión bipolar consta de dos tipos de transistores. Los cuales, nos dan

• Punto de contacto
• Transistor de unión

Al comparar dos transistores, los transistores de unión se utilizan más que los transistores de tipo puntual. Además, los transistores de unión se clasifican en dos tipos que se indican a continuación. Cada transistor de unión tiene tres electrodos: emisor, colector y base

• Transistores de unión PNP
• Transistores de unión NPN

Transistor de unión PNP

En los transistores PNP, el emisor es más positivo con la base y también con respecto al colector. El transistor PNP es un dispositivo de tres terminales que se fabrica con material semiconductor. Los tres terminales son el colector, la base y el emisor, y el transistor se utiliza para aplicaciones de conmutación y amplificación. A continuación se muestra el funcionamiento del transistor PNP.

Generalmente, el terminal del colector se conecta al terminal positivo y el emisor a una alimentación negativa con una resistencia en el circuito del emisor o del colector. Al terminal de la base se aplica la tensión y hace funcionar el transistor en estado ON/OFF. El transistor está en estado OFF cuando la tensión de la base es igual a la del emisor. El transistor está en estado ON cuando la tensión de la base disminuye con respecto a la del emisor. Utilizando esta propiedad, el transistor puede actuar en ambas aplicaciones, como interruptor y amplificador. A continuación se muestra el diagrama básico del transistor PNP.

Transistor de unión NPN

El transistor NPN es exactamente lo contrario al transistor PNP. El transistor NPN contiene tres terminales iguales a los del transistor PNP: emisor, colector y base. El funcionamiento del transistor NPN es

Generalmente, la alimentación positiva se da al terminal de colector y la negativa al terminal de emisor, con una resistencia en el circuito de emisor o colector. Al terminal de la base se le aplica la tensión y funciona como un estado ONN/OFF de un transistor. El transistor está en estado OFF cuando la tensión de la base es la misma que la del emisor. Si la tensión de la base aumenta con respecto a la del emisor, el transistor se encuentra en estado ON. Utilizando esta condición, el transistor puede actuar como ambas aplicaciones que son amplificador e interruptor. El símbolo básico y el diagrama de configuración NPN se muestran a continuación.

Unión bipolar hetero

El transistor de unión bipolar hetero es también un tipo es el transistor de unión bipolar. Utiliza diferentes materiales semiconductores para la región del emisor y la base y produce una heterounión. El HBT puede manejar los singulares de frecuencias muy altas de varios cientos de GHz generalmente se utiliza en circuitos ultrarrápidos y sobre todo se utiliza en radiofrecuencia. Sus aplicaciones se utilizan en teléfonos móviles y en amplificadores de potencia de radiofrecuencia.

Principio de funcionamiento del BJT

La unión BE es de polarización directa y la CB es de polarización inversa. La anchura de la región de agotamiento de la unión CB es mayor que la de la unión BE. La polarización hacia delante en la unión BE disminuye el potencial de barrera y hace que los electrones fluyan del emisor a la base.

La base es delgada y está ligeramente dopada, tiene muy pocos huecos y una cantidad menor de electrones procedentes del emisor, alrededor del 2% se recombina en la región de la base con huecos, y desde el terminal de la base fluye hacia fuera. Esto inicia el flujo de corriente de la base debido a la combinación de electrones y huecos. El gran número de electrones sobrantes pasará a la unión de colector de polarización inversa para iniciar la corriente de colector. Utilizando el KCL podemos observar la ecuación matemática

I_E = I_B + I_C

La corriente de la base es muy reducida en comparación con la corriente del emisor y del colector

I_E ~ I_C

Aquí el funcionamiento del transistor PNP es el mismo que el del transistor NPN, con la única diferencia de que sólo hay huecos en lugar de electrones. El siguiente diagrama muestra el transistor PNP de la región de modo activo.

Configuración del BJT

Un transistor de unión bipolar es un dispositivo de tres terminales, por lo que puede conectarse a un circuito de tres formas posibles, siendo un terminal común entre los demás, lo que significa que un terminal entre la entrada y la salida es común. Cada conexión simplemente responde de forma diferente a la señal de entrada.

Configuración de la base común

En la configuración CB del transistor, el terminal de la base es común entre las señales de entrada y salida. Aquí, la señal de entrada puede darse entre los dos terminales como base y emisor, mientras que la salida puede obtenerse entre los dos terminales como base y colector. En el terminal colector, la señal de salida es baja en comparación con la señal de entrada en el terminal emisor.

Así, su ganancia es menor que 1, por lo que atenúa la señal. La salida de esta configuración es no inversora, por lo que tanto las entradas como las señales de salida estarán en fase. Esta configuración de base común no se suele utilizar debido a su elevada ganancia de tensión. Debido a su respuesta de frecuencia extremadamente alta, este tipo de configuración sólo se utiliza para los amplificadores monofásicos. Estos amplificadores monofásicos pueden utilizarse como amplificadores de RF y preamplificadores de micrófono.

Ganancias de la configuración CB

Ganancia de tensión = Av = Vout/Vin = Ic x RL/IE X RIN

Ganancia de corriente = Ic/ie

Ganancia de resistencia = RL/Rin

Configuración del emisor común

En esta configuración, el terminal emisor es común entre la entrada y la salida. La entrada se da entre los dos terminales como base y emisor mientras que la salida se puede obtener entre los terminales colector y emisor.

Se puede identificar simplemente observando el circuito. Cuando el terminal emisor está conectado a GND, la entrada y la salida se obtienen de los terminales base y colector respectivamente. La configuración CE incluye la máxima ganancia de corriente y potencia entre todos los tipos de configuraciones.

La razón principal es que la entrada en la unión de polarización de avance, por lo que su impedancia de entrada es extremadamente menor, mientras que la salida se puede recibir de la unión de polarización inversa. Por lo tanto, su impedancia de salida es extremadamente alta. En la configuración CE, la corriente de emisor es equivalente a la cantidad de corrientes de base y colector. Así que la ecuación es

Ie= Ic + Ib

De la ecuación anterior, "Ie" es la corriente de emisor. Por tanto, esta configuración tiene una ganancia de corriente máxima como Ic/Ib porque la resistencia de carga puede conectarse en serie a través del terminal del colector.
De la ecuación anterior se desprende que un pequeño aumento de la corriente de base tendrá como consecuencia una corriente muy alta en la región de salida.

Esta configuración CE funciona como un amplificador inversor donde la señal de salida es totalmente opuesta dentro de la polaridad hacia la señal de entrada. Así, la señal de salida puede desplazarse a 180° con respecto a su señal de entrada.

Configuración de colector común

La configuración CC también se denomina seguidor de emisor o seguidor de tensión que incluye un colector que está conectado a tierra. En la configuración CC, la conexión del terminal del colector puede hacerse a tierra hacia la alimentación.

Tanto para la entrada como para la salida, el terminal de colector es común. La salida se obtiene del emisor a través de la carga conectada en serie, mientras que la entrada se realiza directamente hacia el terminal de base. Esta configuración incluye una alta impedancia tanto de entrada como de salida.

Esto permite que se ejecute como un igualador de impedancias. Por tanto, este tipo de configuración es extremadamente útil dentro del método de adaptación de impedancias.

Características del BJT

El comportamiento del transistor bipolar en cada configuración de circuito es extremadamente diferente y genera características de circuito distintas con respecto a las impedancias de entrada y salida y a las ganancias como la tensión, la potencia y la corriente. Las características fijas de un BJT pueden separarse en tres grupos principales que se mencionan a continuación.

Características de entrada

Base común (CB) = ΔVEB / ΔIE
Emisor común (CE) = ΔVBE / ΔIB

Características de salida

Base común (CB) = ΔVC / ΔIC
Emisor común (CE) = ΔVC / ΔIC

Características de transferencia

Base común (CB) = ΔIC / ΔIE
Emisor común (CE) = ΔIC / ΔIB

A continuación se indican las diferentes características de configuración de los transistores.

Características	CB	CE	CC
Impedancia de entrada	Bajo	Medio	Alto
Impedancia de salida	Muy alta	Bajo	Bajo
Ángulo de fase	0o	180o	0o
Ganancia de tensión	Alta	Medio	Bajo
Ganancia actual	Bajo	Medio	Alto
Ganancia de potencia	Bajo	Muy alto	Medio

Ventajas del BJT

Las principales ventajas de los transistores de unión bipolar incluyen las siguientes.

• Alta capacidad de conducción
• Funcionamiento de alta frecuencia
• La familia de la lógica digital tiene una lógica acoplada al emisor que se utiliza en los BJT como interruptor digital
• Tiene un gran ancho de banda de ganancia
• Ofrece un buen rendimiento a alta frecuencia
• La ganancia de tensión es buena
• Funciona en aplicaciones de baja o alta potencia
• Incluye la máxima densidad de corriente.
• La caída de tensión hacia delante es baja

Desventajas

Las principales desventajas de los transistores de unión bipolar incluyen las siguientes.

• La estabilidad térmica es menor
• Genera más ruido
• El BJT es más un efecto de la radiación.
• Menor frecuencia de conmutación
• El control de la base es complejo, por lo que requiere un manejo hábil.
• El tiempo que se tarda en conmutar no es rápido en comparación con una alta frecuencia de parpadeo de tensión y corriente.

Aplicaciones del BJT

A continuación se presentan los dos tipos diferentes de aplicaciones del BJT, que son

• Conmutación
• Amplificación
• Convertidores
• Interruptor automático
• Sensores de temperatura
• Interruptores electrónicos
• Amplificadores
• Alta capacidad de conducción
• Circuitos de detección
• Funcionamiento de alta frecuencia
• Demodulador y modulador
• Conmutador digital
• Clippers
• Circuito de oscilación

Este artículo ofrece información sobre qué son los transistores de unión bipolar, sus tipos, ventajas, aplicaciones y características de los transistores de unión bipolar. Por lo tanto, se trata de una visión general del transistor de unión bipolar. Son los dispositivos más utilizados para amplificar todo tipo de señales eléctricas dentro de los circuitos discretos que se diseñan con componentes independientes en lugar de CI.

Están disponibles en varios tipos con diferentes formas como BUH515, 2N3055, 2N2219, 2N6487, BD135, BD136 y 2N222. Aquí tienes una pregunta, ¿cuáles son los diferentes tipos de transistores disponibles en el mercado?

Espero que la información dada en el artículo sea útil para dar una buena información y comprensión del proyecto. Además, si tienes alguna duda sobre este artículo o sobre los proyectos eléctricos y electrónicos, puedes comentarlo en la sección de abajo. Aquí tienes una pregunta, si los transistores se utilizan en los circuitos digitales, ¿en qué región suelen funcionar?