Electrónica de Potencia/Transistor Bipolar de Potencia/Estructura y principio de funcionamiento

Historia

Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad.

Estructura Transistor Bipolar

El transistor de unión bipolar (también conocido por sus siglas BJT) se trata de un dispositivo electrónico sólido, formado por 2 uniones PN próximas entre ellas que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Se le llama bipolar porque la conducción es debida al desplazamiento de portadores de 2 polaridades (huecos: positivos; electrones: negativos). Este tipo de dispositivo es utilizado para un gran número de aplicaciones, principalmente en electrónica analógica y digital con tecnología TTL o BICMOS, a pesar de tener una gran limitación debido a su impedancia de entrada muy baja.

Gráfico de la estructura interna de un transistor BJT

Su composición está basada en 2 uniones PN en un cristal semiconductor, separados por una fina franja, delimitando dentro del mismo 3 regiones:

Diferentes zonas del transistor BJT

• Emisor:que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Tipo P.
• Base:la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Tipo N.
• Colector:de extensión mucho mayor. Tipo P

Representación gráfica transistor BJT P-N-P,N-P-N

La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.

Tipos de Transitores según polarización

• NPN

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo. Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base.

Transistor NPN

• PNP

El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias. Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Transistor PNP

Funcionamiento

En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector.

El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo inverso. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el emisor y el colector. La unión colector-base está polarizada en inversa durante la operación normal. Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar la tensión o corriente de entrada. Los BJT pueden ser pensados como fuentes de corriente controladas por tensión, pero son caracterizados más simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente, o por amplificadores de corriente, debido a la baja impedancia de la base.

• ESTADOS DE FUNCIONAMIENTO

Se diferencian tres estados de funcionamiento, que dependen de las características dinámicas del circuito en el que va conectado. Estas características son:

1. Saturación: El transistor permite el paso de corriente desde el colector al emisor. De todas formas esta corriente no puede ser demasiado elevada, ya que la propia corriente calienta al transistor por efecto Joule y si se calienta excesivamente, puede estropearse de forma permanente.Para un transistor de silicio que se encuentra en saturación la tensión entre la base y el emisor es de 0,7 V y entre la base y el colector de unos 0,5 V, de donde se deduce que la tensión entre el colector y el emisor será de unos 0,2 V.
2. Corte:En este estado el transistor no permite el paso de corriente entre el colector y el emisor, se comporta como si fuera un interruptor abierto.Para un transistor de silicio que se encuentra en corte las corrientes de emisor y de colector son nulas y las tensiones entre la base y el emisor y entre la base y el colector son ambas menores de 0,7 V.
3. Amplificación:Cuando un transistor se encuentra en este estado de funcionamiento, permite amplificar la potencia de una señal.

Estados de Funcionamiento de un Transistor Bipolar

• REGIONES OPERATIVAS DEL TRANSISTOR

Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:

1. Región activa en cuanto a la polaridad: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente), y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador de señal.
2. Región inversa: Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles.
3. Región de corte: Un transistor está en corte cuando la corriente del colector=corriente del emisor=0. En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. De forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero.
4. Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:corriente del colector ≈ corriente de emisor = corriente máxima, (Ic ≈ Ie = Imáx). En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Cuando el transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β·Ib no se cumple. De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cortocircuito, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.

Como se puede ver, la región activa es útil para la electrónica analógica (especialmente útil para amplificación de señal) y las regiones de corte y saturación, para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y bajo, respectivamente.

• EFICIENCIA TRANSISTOR

Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. Laganancia de corriente emisor común está representada por o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común, . La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998.El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):

Relacion de eficiencia ALFA y BETA para un transistor NPN

Aspectos del funcionamiento del BJT

Efecto Early

Una vez polarizado el transistor en su zona de funcionamiento se pueden producir variaciones no deseadas de las corrientes en el mismo debidas a variaciones en la tensión colector-base. Estas variaciones de corriente estan producidas por la modulación de la anchura de la base, este hecho es conocido como el Efecto Early. En un transistor bipolar, un incremento en la tensión colector-base lleva asociado un incremento en la anchura de la zona de carga espacial de dicha unión. Este aumento provoca una disminución de la anchura efectiva de la base. Debido a esto, la corriente de colector aumenta, pues existe menos camino para la recombinación en base.

Descripción de la modulación de la anchura de base con la tensión.

La pendiente positiva de las curvas características del transistor en zona activa es debida a este efecto.

Consideraciones sobre potencia

Otra caracteristica de un transistor bipolar es que se puede destruir debido a la potencia máxima que es capaz de disipar. En general se puede hablar de potencia en régimen continuo y potencia en régimen alterno.

En régimen de polarización del transistor bipolar(regimen continuo):

La potencia disipada por cualquier componente viene dada por la ecuación:

$P=V.I$

En el caso particular de un transistor bipolar, consideramos que la potencia que disipa viene dada por la corriente de colector multiplicada por la tensión que colector-emisor, es decir:

$P=V_{ce}.I$

El producto de la corriente de colector por la tensión colector-emisor indica la potencia disipada por el dispositivo. En función del tipo de transistor (de su fabricación, características y encapsulado), de las condiciones ambientales y del uso de disipadores, la potencia que puede soportar un transistor varía. La potencia máxima que puede disipar un transistor se puede representar en unos ejes de coordenadas, obteniendo la hipérbola de máxima disipación del dispositivo. En el apartado de curvas características se muestra un ejemplo.

Hipérbola de máxima disipación.

Fenómenos de avalancha y perforación

El transistor bipolar, que tenga uniones PN polarizadas,tiene unas limitaciones físicas de funcionamiento debidas a los fenómenos de avalancha que se pueden producir al aplicar tensiones elevadas a las uniones. En un transistor bipolar se puede producir la destrucción del dispositivo mediante dos mecanismos de ruptura diferentes:

Ruptura por entrar en avalancha alguna de las uniones

Si se aplica tensión inversa elevada a las uniones PN del transistor puede ocurrir que alguna entre en avalancha. La unión base-emisor es especialmente sensible a la aplicación de tensiones elevadas debido a su alto dopaje.

Ruptura por perforación de base

Puede ocurrir que las tensiones aplicadas sean tan grandes que desaparezca la anchura de la base del transistor (es decir, que WB = 0). Este caso se denomina perforación de la base, y se produce la destrucción del transistor al circular una corriente muy elevada entre emisor y colector.

Perforación Base