Transistores BJT como amplificadores e interruptores y características de los transistores FET Santos Pérez Angel Alexis Universidad Tecnológica de Altamira, Boulevard de los Ríos Km. 3+100, Puerto Industrial Altamira Resumen En este artículo se describirán las características principales de los transistores BJT y FET detallando sus diferencias y similitudes, además, de contar con simulaciones realizadas en el programa Miultisim para ayudar a entender y comprobar la información dada en este documento, de manera clara y concisa; a través de este articulo se busca que el interesado pueda entender de forma simple las funciones de los transistores BJT y FET, así como sus principales características y usos. Palabras clave: Transistor, BJT, FET, Curva característica, Efecto Early, Base, Colector, Emisor, Puerta, Fuente, Drenaje. 1. Introducción En nuestra vida cotidiana hemos usado los transistores, mayormente sin darnos cuenta de su función o características, estos componentes (cada vez mas pequeños y con mejores prestaciones) nos han acompañado casi desde el inicio de la era digital, gracias a componentes como el transistor la revolución digital pudo ser posible, aunque muchas veces es este uno de los componentes mas infravalorados de la electrónica, así como uno de los más desconocidos y difíciles de entender, en este archivo se busca cambiar eso, procurando que el lector pueda comprender la importancia de los transistores en la vida, así como sus características principales y el gran impacto en la electrónica tanto análoga como digital. 1 0 0 2. Estructura de un transistor BJT Los transistores de unión bipolar BJT por sus siglas en inglés (Bipolar Junction Transistor), son dispositivos semiconductores de estado sólido que permiten controlar el paso de corriente o disminuir voltaje a través de sus terminales. [1] Los transistores BJT tienen muchas aplicaciones en el campo de la electrónica, pero comúnmente son utilizados como interruptores electrónicos, amplificadores de señales o como conmutadores de baja potencia. Como ejemplo se usan para controlar motores, accionar reveladores y producir sonidos en bocinas. [1] Los transistores BJT están formados por dos uniones de tipo “P y N” o bien de dos diodos semiconductores. [1] Existen dos tipos transistores BJT, el de tipo NPN y el PNP. Las letras hacen referencia a las capas de material semiconductor que están construidos. 1- Transistor tipo NPN: Esta formado por dos capas de material tipo “N” y separadas por una capa tipo “P”. [1] 2- Transistor tipo PNP: Esta formada por dos capas de material tipo “P” y separadas por una capa tipo “N”. [1] Estos transistores cuentan con tres terminales, emisor, base y colector. La zona central se denomina base, y las laterales emisor y colector. Estos pines se representan por la inicial del nombre de la zona respectiva: E (emisor), B (base) y C (colector). [1] - La zona de E (emisor), es la más fuertemente dopada, es la zona en cargada de “emitir” o inyectar portadores mayoritarios hacia la base. [1] - La B (base), tiene un nivel de dopado netamente inferior al de la zona de emisor. Se trata de una zona con un espesor muy inferior al de las capas exteriores. Su misión es la de dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector. [1] - La zona de C (colector), es encargada de recoger o “colectar” los portadores inyectados que han sido capaces de atravesar la base por parte del emisor. Es la zona con un nivel de dopado inferior de las tres. [1] Figura 1. Símbolo de ambos tipos de transistor BJT. 2 0 0 3. Curvas características y regiones de operación de un transistor BJT En el caso del estudio de transistores, tenemos hasta 6 variables involucradas (3 tensiones y 3 corrientes) siendo la representación gráfica de las mismas no tan evidente como en el caso del diodo. Así, para representarlas gráficamente, las variables se agrupan para formar lo que se denomina curvas características de entrada y curvas características de salida. [2] Además, estas curvas dependerán del tipo de configuración del transistor (base, emisor o colector común), con lo que a priori existirán 6 tipos de familias de curvas distintas: [2] Curvas características de entrada en base común. Curvas características de salida en base común. Curvas características de entrada en emisor común. Curvas características de salida en emisor común. Curvas características de entrada en colector común. Curvas características de salida en colector común. 3.1 Curvas características de entrada en base común. A continuación, se podrán observar las curvas características de entrada para un transistor BJT PNP. Los sentidos positivos de tensiones y corrientes son los representados en la siguiente figura. [2] Figura 2. Sentidos positivos de las variables que intervienen en las curvas características de entrada en un BJT PNP en base común En las curvas características de entrada en base común se representa (1) Estas curvas aparecen representadas en la figura 2 En principio, si observamos, es como si tuviésemos la curva característica correspondiente a la unión de emisor [I E = f(VEB)], sin embargo, la relación entre estas dos variables se ve influenciada por la tensión que tenemos a la salida (V CB). Así, no tenemos una única curva, sino que tenemos una familia de curvas en función de la tensión V CB. El origen de este desdoblamiento de curvas está en lo que se denomina Efecto Early. [2] Figura 3. Curvas Características de Entrada en Base Común en un BJT pnp. 3 0 0 El efecto Early es también conocido como efecto de modulación de anchura de la base. Y es que, al aumentar la polarización inversa de la unión de colector, la zona de carga espacial correspondiente aumenta, por lo que la anchura efectiva de la base (la zona n en un transistor pnp) disminuye. O, al contrario, es decir, si la polarización inversa de la unión de colector disminuye, la anchura efectiva de la base aumenta. En resumen, vemos que hay una variación de la anchura de la base con la tensión inversa aplicada a la unión de colector. [2] Figura 4. Modulación de la anchura efectiva de la base por efecto Early. En la curva característica de entrada en base común, al disminuir la anchura de la base, el gradiente de la concentración de huecos en la base aumenta, con lo que la corriente de difusión aumentará. [2] Figura 5. Efecto Early. Aumento de la corriente de emisor. De ahí que, para una V EB dada, cuanto mayor sea la tensión inversa aplicada a la unión de colector, mayor será IE. [2] Figura 6. Efecto Early en las características de entrada. 4 0 0 3.2 Curvas características de salida en base común. Figura 7. Sentidos positivos de las variables que intervienen en las curvas características de salida en un BJT PNP en base común. En las curvas características de salida en base común se representa: (2) Los sentidos positivos de tensiones y corrientes aparecen en la figura 6. Figura 8. Curvas características de salida en Base común en un BJT PNP. En estas curvas aparecen claramente diferenciadas las tres zonas de interés práctico del transistor: corte, saturación y activa. [2] Región de corte: Está delimitada por la curva con IE = 0 Figura 9. Corrientes en un BJT en Base Común en la zona de corte. 5 0 0 Si el emisor está en circuito abierto (IE = 0). La única corriente que tendremos en el transistor será la que hemos llamado ICO debida a la polarización inversa de la unión de colector. [2] En resumen, cuando las dos uniones están polarizadas en inversa no hay corrientes por el transistor, por eso se dice que estamos en la zona de corte. [2] Zona activa: El transistor trabaja en esta zona cuando la unión de emisor está polarizada en directa y la unión de colector lo está en inversa. [2] Figura 10. Polarización del BJT PNP en la zona activa. En esta zona se cumple: (3) Efecto Early en la característica de salida en base común: En realidad sí que hay un pequeño aumento de la corriente de colector a medida que aumenta (en valor absoluto) la tensión V CB. Es decir, las curvas no son perfectamente horizontales, sino que tienen una pequeña pendiente positiva. Esto se debe al efecto Early o de modulación de anchura de la base. [2] Región de saturación: En esta zona de trabajo las dos uniones del transistor están polarizadas en directa [2] Figura 11. Polarización del BJT PNP en la zona de saturación. 3.3. Curvas características de entrada en emisor común. En la siguiente figura aparecen representados los convenios de tensiones y corrientes positivas que se han tenido en cuenta para representar las distintas curvas. Nótese que a diferencia del caso anterior ahora vamos a trabajar con un transistor NPN. [2] Figura 12. Sentidos positivos de las variables que intervienen en las curvas características de entrada en un BJT NPN en emisor común. 6 0 0 En las curvas características de entrada en base común se representa (4) Como se puede ver en la figura, no hay una única curva que relacione I B con V BE, sino que hay una familia de curvas en función de V CE. De nuevo, al igual que en el caso anterior, este desdoblamiento de curvas se debe al efecto Early. [2] Figura 13. Curvas Características de Entrada en Emisor Común para un BJT NPN. 3.4. Curvas características de salida en emisor común. Figura 14. Sentidos positivos de las variables que intervienen en las curvas características de salida en emisor común en un BJT NPN. En las características de salida en emisor común se representa: (5) Figura 15. Curvas características de salida en Emisor Común en un BJT NPN. 7 0 0 Tenemos que IC no depende de la tensión VCE y depende únicamente del valor de IB. Así, las curvas en la zona activa deberían ser perfectamente horizontales. Esto sería cierto si α fuera constante, pero como vimos en el caso anterior, el parámetro α depende de la tensión V CE debido al efecto Early. [2] 3.5. Curvas características en colector común. Desde el punto de vista de diseño de un circuito con un transistor en la configuración colector común, se utilizan las características de emisor común. [2] 3.6. Regiones de operación Región de saturación: Las uniones colector-base y base emisor están polarizadas directamente, el voltaje colector-emisor es pequeño y la corriente es muy grande. [1] Región de corte: En esta región la corriente de colector es cero o casi cero para cualquier valor de voltaje colector-emisor, las uniones colector-base y base emisor están inversamente polarizadas. [1] Región activa DIRECTA: En esta región la unión de colector-base esta polarizada en inversa y la unión base-emisor esta polarizada en directa. Esta región nos permite utilizar al transistor como amplificador de voltaje, de corriente o de potencia. [1] 4. Tipos de configuraciones del BJT Los transistores bipolares son amplificadores de corriente ideales. Cuando se aplica una pequeña señal al terminal de entrada, en los terminales de salida aparece una reproducción ampliada de esta corriente. Aunque la señal de entrada puede acoplarse al dispositivo de varias formas, solamente las tres configuraciones básicas (base común, emisor común y colector común) resultan útiles en la práctica. [3] Figura 16. Configuraciones amplificadoras básicas con transistores bipolares. 8 0 0 4.1. Base común La terminología relativa a base común se desprende del hecho de que la base es como una los lados de entrada y salida de la configuración. Además, la base es usualmente la terminal más cercana ó en un potencial de tierra Como se muestra en la siguiente figura con transistores PNP y NPN. En esa figura se indica además de los sentidos de la corriente convencional. [4] Figura 16. Configuración de base común. Cómo se puede observar en cada caso IE=IC+IB también se nota que la polarización aplicada (fuentes de voltaje) este modo que se establezca la corriente en la dirección indicada para cada rama. Es decir, compárese la dirección de IE con la polaridad o VEE para cada configuración y la dirección de IC con la polaridad de VCC. [4] Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, se requiere de dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada o punto de manejo y el otro para el lado de salida. EI conjunto de entrada para el amplificador de base común, como se muestra en la figura 16, relacionará una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (V BE) para varios niveles de voltaje de salida (V CB). [4] Como se observa en la figura 16, lo que se tiene es la curva equivalente a la zona directa de un diodo, especialmente cuando la salida está polarizada muy inversamente, (V CB > 10V). [4] El conjunto de salida relacionará una corriente de salida (C) con un voltaje de salida V CB para diversos niveles de corriente de entrada (I E). Esto es, corresponde a la zona inversa del diodo y, por tanto, corresponde a una corriente básicamente constante sin importar el valor del voltaje inverso. Esto quiere decir serán líneas rectas a lo largo del eje que partirá de un valor aproximado a-0,6V. para un transistor de silicio. [4] Figura 17. Curva característica de entrada. 9 0 0 4.2. Emisor común La configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se muestra en la figura a continuación para los transistores PNP y NPN. Se denomina configuración de emisor común, porque el emisor es común tanto a las terminales de entrada como a las de salida (en este caso, es también común a las terminales de la base y del colector). [4] Figura 18. Configuración de emisor común. De igual forma se necesitan dos conjuntos de características para describir en forma completa el comportamiento de la configuración de emisor común: una para la entrada o circuito de la base y una para la salida o circuito del colector. Ambas se muestran en la figura 19. [4] Figura 19. Curvas características de la configuración emisor común. 4.3. Colector común La tercera y última configuración de transistores la de colector común, mostrada en la figura 20 con las direcciones apropiadas de corriente y la notación de voltaje La configuración de colector común se emplea fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancia ya que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de base común y de emisor común. [4] Figura 20. Notación y símbolos en la configuración colector común. La configuración del circuito de colector común se muestra en la figura 21 con la resistencia de carga del emisor a tierra. Nótese que el colector está conectado a tierra aun cuando el transistor está conectado de manera similar a la configuración de emisor común. Desde el punto de vista de diseño, no es necesario elegir para un conjunto de características de colector común, los parámetros del circuito de la figura 21. Pueden diseñarse empleando las características de emisor común. Para todos 10 0 0 los propósitos prácticos, las características de salida de la configuración de colector común son las mismas que las de la configuración de emisor común. En la configuración de colector común las características de salida son una gráfica de I E versus VEC para un intervalo de valores de I B. Por ellos, la corriente de entrada es la misma tanto para las características de emisor común como para las de colector común. El eje de voltaje para la configuración de colector común se obtiene cambiando simplemente el signo de voltaje de colector a emisor de las características de emisor común. Por último, hay un cambio casi imperceptible en a escala vertical de I C de las características de emisor común si IC se reemplaza por IE en las características de colector común (puesto que ? =1). En el circuito de entrada de la configuración de colector común, las características de la base de emisor común son suficientes para obtener la información que se requiera. [4] Figura 21. Configuración de colector común empleada para acoplamiento de impedancia. 5. Concepto de ganancia del transistor (Beta) La ganancia (Beta, β) es simplemente la relación entre la corriente de colector I C y la corriente de la base IB, o sea, cuantas veces es mayor la primera que la segunda. Acudiendo a las matemáticas más elementales podemos expresarlo del siguiente modo: [5] (6) Dicho de otra manera, por medio de la ganancia (Beta β) sabremos cuantas veces es mayor la corriente de colector que la corriente de base. Se trata en cierta manera de evaluar lo "eficaz" que es el transistor haciendo su trabajo. Lo que se pretende es conseguir que con una corriente muy pequeña en la base se produzca una corriente mucho mayor en el colector mediante lo cual obtenemos una determinada "amplificación" de la corriente original de la base. [5] 6. Parámetros eléctricos de la hoja de datos técnicos A continuación, se mostraran los parámetros eléctricos de la hoja de datos técnicos del transistor BJT que es probablemente el mas conocido, el transistor 2N2222 11 0 0 Figura 22. Características eléctricas de la hoja de datos técnicos del transistor 2N2222. Figura 23. Índices absolutos máximos del transistor 2N2222. 7. El transistor BJT COMO INTERRUPTOR. La polarización de base es muy útil en los circuitos digitales, la razón es que, por lo general, estos circuitos se diseñan para funcionar en las regiones de saturación y corte. Por ello, se va a obtener a la salida una tensión próxima a la de alimentación (valor alto de tensión) y también próxima a cero (valor bajo de tensión). Dicho de otra manera, no se emplea ningún punto Q que no esté situado en la región de saturación o corte, por lo que la estabilidad de dicho punto pasa a un segundo plano. En la figura 24a se muestra un esquema de polarización de base al cual se le aplica una tensión vi que puede tomar valores muy altos, próximos a V CC, o bien próximos a cero. [2] Si en dicho circuito se hace que V i = 0, la tensión en la unión emisor-base no será suficiente para que haya una corriente de base apreciable, por lo que se puede considerar que I B = 0, y en consecuencia IC = 0. [2] Figura 24. Circuito de polarización de base. (a) esquema de circuito apto para funcionar como interruptor. (b) puntos de trabajo de dicho circuito sobre las características de salida. 12 0 0 En esta situación, la caída de tensión en la resistencia de colector será nula, y toda la tensión de alimentación, VCC, la tenemos en los terminales de colector y emisor, por tanto, a la salida, V 0 = VCC. Esta situación se corresponde con el punto de trabajo Q 1 mostrado en la figura 24b. Por el contrario, si Vi = VCC , la corriente de base será muy elevada, al igual que I C, llevando el transistor a la zona de saturación, posición representada por Q2. En esta zona V CE 0,2V, valor que se puede considerar cero en comparación con las tensiones que estamos manejando y, por tanto, V 0 = 0. En la figura 25 se han representado los circuitos equivalentes del transistor trabajando en ambas situaciones. Si V i = 0 el transistor se comporta como un circuito abierto (25a) y si vi = V CC se puede considerar al transistor como un cortocircuito (25b). [2] Figura 25. Circuito equivalente del transistor, (a) trabajando en la zona de corte, (b) trabajando en saturación Figura 26. Simulación de un circuito con un transistor como interruptor en Multisim. 13 0 0 8. El transistor BJT en circuito para amplificación de señal. Figura 27. Simulación de un circuito con un transistor como amplificador en Multisim. Como se puede observar en la imagen 27 las líneas en color morado son los valores que tenemos de entrada al circuito, las líneas verdes representan las ondas amplificadas después de pasar por el transistor. 9. El transistor de efecto de campo FET. Los Transistores de Efecto de Campo son dispositivos en los que la corriente se controla mediante tensión. Cuando funcionan como amplificador suministran una corriente de salida que es proporcional a la tensión aplicada a la entrada. Características generales: [6] Por el terminal de control no se absorbe corriente. Una señal muy débil puede controlar el componente La tensión de control se emplea para crear un campo eléctrico Existen dos tipos de transistores de efecto de campo los JFET (transistor de efecto de campo de unión) y los MOSFET. Los transistores MOS respecto de los bipolares ocupan menos espacio por lo que su aplicación más frecuente la encontramos en los circuitos integrados. Es un componente de tres terminales que se denominan: Puerta (G, Gate), Fuente (S, Source), y Drenaje (D, Drain). Según su construcción pueden ser de canal P o de canal N. Sus símbolos son los siguientes: [6] Figura 28. Símbolo de un FET de canal N/Símbolo de un FET canal P. 14 0 0 Los parámetros que definen el funcionamiento de un FET se observan en la siguiente figura: Figura 29. Parámetros de un FET de canal N/Parámetros de un FET canal P. La curva característica del FET define con precisión como funciona este dispositivo. En ella distinguimos tres regiones o zonas importantes: [6] Zona lineal.- El FET se comporta como una resistencia cuyo valor depende de la tensión VGS. Zona de saturación.- A diferencia de los transistores bipolares en esta zona, el FET, amplifica y se comporta como una fuente de corriente controlada por la tensión que existe entre Puerta (G) y Fuente o surtidor (S) , VGS. Zona de corte.- La intensidad de Drenador es nula. Como en los transistores bipolares existen tres configuraciones típicas: Surtidor común (SC), Drenador común (DC) y Puerta común (PC). La más utilizada es la de surtidor común que es la equivalente a la de emisor común en los transistores bipolares. [6] 9.1. Características de salida Figura 30. Características de salida de un FET. 15 0 0 Al variar la tensión entre drenador y surtidor varia la intensidad de drenador permaneciendo constante la tensión entre puerta y surtidor. [6] En la zona óhmica o lineal se observa como al aumentar la tensión drenador surtidor aumenta la intensidad de drenador. [6] En la zona de saturación el aumento de la tensión entre drenador y surtidor produce una saturación de la corriente de drenador que hace que esta sea constante. Cuando este transistor trabaja como amplificador lo hace en esta zona. [6] La zona de corte se caracteriza por tener una intensidad de drenador nula. [6] La zona de ruptura indica la máxima tensión que soportará el transistor entre drenador y surtidor. [6] Es de destacar que cuando la tensión entre puerta y surtidor es cero la intensidad de drenador es máxima. [6] 9.2. hojas de características de los FET En las hojas de características de los fabricantes de FETs encontrarás los siguientes parámetros (los más importantes): [6] VGS y VGD.- Son las tensiones inversas máximas soportables por la unión PN. IG.- corriente máxima que puede circular por la unión puerta - surtidor cuando se polariza directamente. PD.- potencia total disipable por el componente. IDSS.- Corriente de saturación cuando VGS=0. IGSS.- Corriente que circula por el circuito de puerta cuando la unión puerta - surtidor se encuentra polarizado en sentido inverso. [6] 10. Simulación de circuito con transistor FET y resolución. Figura 31. Simulación del circuito con un transistor FET. Calculando VGS: 16 0 0 VGS= VGG= -2V Calculando IDQ: IDQ= IDSS (1-VGS/ VP) 2 IDQ= 10mA[1-(2V/-8V)] 2 IDQ= 5.625mA Calculando VDS: VDS= VDD-IDRD VDS= 20V-(2.5mA) (4Kohms) VDS= 10V Calculando VD VD= VDS VD= 10V Calculando VG VG= VGS VG= -2V 11. Conclusiones Como se puede apreciar en este trabajo las diferencias entre los transistores BJT y los transistores FET pueden ser ligeramente diferentes, pero esas pequeñas diferencias hacen que sus aplicaciones sean completamente diferentes en algunos casos, también como pudimos apreciar existen ventajas y desventajas de usar cada familia, por ello se debe de conocer el trabajo que se va a realizar para así poder elegir el componente correcto. 17 0 0 Referencias [1] [2] [3] [4] [5] [6] F. AYALA, «Tienda de Componentes Electrónicos,» 11 Noviembre 2019. [En línea]. Available: https://cdmxelectronica.com/transistores-bjt/. F. Hernando Briongos, V. Rodríguez Cuesta, J. R. Gutiérrez Serrano y J. Sáenz Novales, «OpenCourseWare,» 2009. [En línea]. Available: https://ocw.ehu.eus/file.php/110/electro_gen/Course_listing.html. [Último acceso: 14 agosto 2020]. J. Fransisco, «Departamento de Electricidad-Electrónica,» 26 Septiembre 2018. [En línea]. Available: http://www.cifpn1.com/electronica/?p=4151. [Último acceso: 14 Agosto 2020]. INACAP, «INACAP,» 2002. [En línea]. Available: https://www.emagister.com/uploads_user_home/Comunidad_Emagister_5896_transistor_2.pdf. [Último acceso: 14 Agosto 2020]. RadioElectronica, 22 Marzo 2017. [En línea]. Available: http://www.radioelectronica.es/articulosteoricos/172-el-alfa-y-la-beta-del-transistor-bjt. [Último acceso: 14 Agosto 2020]. Electronica facil.net, «Electronica facil.net,» [En línea]. 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