El Transistor

Funcionamiento

El transistor es un componente electrónico cuyo funcionamiento se basa en la transferencia de energía mediante variaciones de resistencia. Puede ser NPN o PNP, ambos con un cristal común a las dos uniones llamado Base (B). Los otros dos cristales extremos de las uniones se llaman Colector y Emisor. Los dos tipos de transistores tienen un comportamiento idéntico, diferenciándose únicamente en la polaridad de las fuentes que los alimentan.

Para que un transistor funcione correctamente, la corriente del emisor debe estar formada casi exclusivamente por portadores mayoritarios. Por ello, el emisor se dopa fuertemente en relación con la base. En un transistor, el emisor está normalmente más dopado que el colector, y ambos más que la base. Las concentraciones de portadores en el emisor y el colector serán muy superiores a las concentraciones en la base.

Es crucial que la base tenga muy poco espesor para evitar recombinaciones y para conseguir un efecto de control. Si se alcanzan las concentraciones de equilibrio, las dos uniones no podrían influirse mutuamente y actuarían como dos diodos rectificadores aislados.

Transistor NPN

En cada unión hay una barrera de potencial interna. Las fuentes E1 y E2 polarizan las uniones de tal forma que E1 polariza la unión emisor-base y E2 la unión colector-base.

• Si la unión emisor-base está polarizada en sentido directo, los electrones son repelidos hacia la unión, el potencial electrostático resultante neto Vcb se reduce, y pueden cruzar más portadores.
• Si la unión colector-base está polarizada inversamente, el terminal de colector es positivo con respecto a la base, entonces Vcb aumenta y cruzan la unión menos portadores mayoritarios.

La base capta un gran número de electrones del emisor. Si estos llegan a la unión base-colector, son acelerados y pasan al circuito exterior.

El valor de la intensidad de corriente depende del valor de la polarización directa aplicada a la unión emisor-base. Las intensidades de base y colector dependen de la intensidad del emisor. La fracción de la intensidad del emisor que alcanza el colector se representa por α.

Intensidad Emisor: Ie=Ib+Ic      Colector: Ic=αIe         BASE: Ib= Ie(1-α)

Transistor PNP

En los transistores PNP, los portadores mayoritarios son los huecos en lugar de los electrones. Esto exige una polarización externa de sentido contrario, cambiando las polaridades de E1 y E2.

• La unión emisor-base queda polarizada en sentido directo para neutralizar la barrera de potencial interna y repeler los huecos hacia la base, que es negativa respecto al emisor.
• Los huecos, al entrar en la base, se difunden y algunos se recombinan con los electrones que contiene la base, que es muy delgada. Sin embargo, la mayoría de ellos son atraídos por la unión colector-base y entran en la región del colector para ser neutralizados por los electrones del terminal negativo de E2.

Modos de Funcionamiento

Corte

Ambas uniones pueden tener polarización inversa, de forma que la corriente de colector sea muy pequeña y la tensión total aplicada entre colector y emisor del transistor sea alta. Un aumento de la tensión de polarización inversa ensancha la capa de empobrecimiento hasta que los portadores minoritarios son acelerados a través de la unión y tienen suficiente energía para chocar con los portadores minoritarios y mayoritarios y desprenderlos del cristal. Así se llega a la ruptura por avalancha.

Si la tensión de polarización inversa es suficientemente grande, las capas de empobrecimiento se tocan mutuamente y el transistor se destruirá si la corriente de colector no estuviese limitada por una resistencia externa adecuada. La tensión a la que las capas de empobrecimiento se tocan se llama tensión de perforación.

Región Lineal

En la región lineal, la unión emisor-base está polarizada en sentido directo y la unión colector-base lo está en sentido inverso. Cuanto más positivo sea el potencial de base, mayores serán la corriente de base, la corriente de carga de colector y la tensión entre terminales de carga. Sin embargo, la tensión a través del transistor es menor hasta que se alcanza un punto de saturación.

Saturación

La saturación ocurre cuando el flujo de corriente está limitado únicamente por la resistencia de carga y tiene lugar cuando ambas uniones están polarizadas directamente. La diferencia de tensión entre colector y emisor tiene que ser de 25 mV.

Configuraciones Básicas

Emisor Común

La configuración de emisor común (típica amplificadora) es aquella en la que parte del emisor está conectado a tierra para AC. Los condensadores sirven para bloquear el paso de DC, dejando pasar AC. Las resistencias sirven para polarizar correctamente al transistor.

Base Común

La configuración de base común (se usa en radiofrecuencias, frecuencias altas) es aquella que tiene la base conectada a tierra para AC. Es una configuración amplificadora poco utilizada, pero presenta mejor respuesta en frecuencia que la de emisor común.

Colector Común

La configuración de colector común se llama así porque no amplifica la señal, pero tiene otras ventajas, como alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida.

Condensadores de Acoplo

Si conectamos directamente el generador AC, la tensión se haría cero en ese punto y el transistor dejaría de estar polarizado. Si interponemos entre la fuente y el punto de conexión un condensador, este bloquearía la DC y mantendría la tensión. A la vez, si C es lo suficientemente grande, dejará pasar totalmente la AC sin modificarla.

Cabe destacar que la configuración de mayor amplificación es la correspondiente a emisor común, mientras que la óptima en cuanto a adaptación de impedancias es la de colector común.

Parámetros α y β

Parámetro α

El parámetro α indica la relación de semejanza que se produce en la corriente de colector y las variaciones de las corrientes del emisor: α=(ΔIc/ΔIe)

Parámetro β

El parámetro β indica la capacidad que posee un transistor para conseguir una ganancia de corriente. La ganancia de un transistor es la relación que existe entre la variación o incremento de la corriente de colector y la variación de base: β=(ΔIc/ΔIb)

La circunstancia de que una pequeña corriente de base controle las corrientes de emisor y colector mucho más elevadas es lo que hace que el transistor sea un componente tan útil en la electrónica.