Transistores Bipolares de Unión (BJT)

 Le pedimos a  la inteligencia artificial Gemini de Google que nos hable sobre los Transistores Bipolares de Unión (BJT)

Hablanos detalladamente sobre los Transistores Bipolares de Unión (BJT)

¡Profundicemos en los Transistores Bipolares de Unión (BJT)! Como mencionamos, son la columna vertebral de mucha de la electrónica analógica y de potencia, y comprenderlos es fundamental para cualquier persona que se adentre en el diseño de circuitos.

Estructura Detallada del BJT:

Un BJT se construye con tres capas de material semiconductor, cada una con un nivel de dopaje específico que influye en su funcionamiento:

Emisor (E): Es la región más fuertemente dopada y su propósito principal es emitir (inyectar) portadores de carga (electrones en un NPN, huecos en un PNP) hacia la base. Su alta concentración de dopaje garantiza una gran cantidad de portadores disponibles para la inyección.

Base (B): Es la región central, muy estrecha y ligeramente dopada en comparación con el emisor y el colector. Su función es servir como una "puerta" para controlar el flujo de portadores desde el emisor hacia el colector. Su delgadez y bajo dopaje son cruciales para que la mayoría de los portadores inyectados desde el emisor no se recombinen en la base, sino que pasen al colector.

Colector (C): Es la región más grande y moderadamente dopada. Su propósito es colectar los portadores de carga que son inyectados desde el emisor y cruzan la base. Su tamaño más grande ayuda a disipar el calor generado por la corriente que fluye a través de él.

Entre estas capas, se forman dos uniones PN:

Unión Emisor-Base (JEB): La unión entre el emisor y la base.

Unión Colector-Base (JCB): La unión entre el colector y la base.

Tipos de BJT:

Los dos tipos principales de BJT son:

Transistor NPN:

Estructura: Capa N (Emisor) - Capa P (Base) - Capa N (Colector).

Flujo de corriente (convencional): La corriente de colector (I C ​ ) y la corriente de base (I B ​ ) entran al transistor, y la corriente de emisor (I E ​ ) sale del transistor.

Portadores mayoritarios: Electrones. Son los principales responsables del flujo de corriente.

Polarización típica para región activa:

Unión Emisor-Base: Polarizada en directa (Base positiva con respecto al Emisor, V BE ​ ≈0.7V para silicio).

Unión Colector-Base: Polarizada en inversa (Colector positivo con respecto a la Base, V CB ​ >0).

Símbolo: La flecha en el emisor apunta hacia afuera.

Transistor PNP

Estructura: Capa P (Emisor) - Capa N (Base) - Capa P (Colector).

Flujo de corriente (convencional): La corriente de emisor (I E ​ ) entra al transistor, y la corriente de colector (I C ​ ) y la corriente de base (I B ​ ) salen del transistor.

Portadores mayoritarios: Huecos. Son los principales responsables del flujo de corriente.

Polarización típica para región activa

Unión Emisor-Base: Polarizada en directa (Emisor positivo con respecto a la Base, V EB ​ ≈0.7V para silicio).

Unión Colector-Base: Polarizada en inversa (Base positiva con respecto al Colector, V BC ​ >0).

Símbolo: La flecha en el emisor apunta hacia adentro.

Principios de Funcionamiento Detallados (NPN como ejemplo):

Cuando se polariza un NPN en la región activa

Inyección del Emisor: La unión Base-Emisor está polarizada en directa. Esto reduce la barrera de potencial y permite que una gran cantidad de electrones (portadores mayoritarios en el emisor N) difundan desde el emisor hacia la base (P).

Flujo en la Base: Una vez en la base, la mayoría de estos electrones (debido a la delgadez de la base y su bajo dopaje) no encuentran suficientes huecos para recombinarse. Solo una pequeña fracción de estos electrones se recombinan con huecos en la base, formando la corriente de base (I B ​ ). Los huecos perdidos en la base son repuestos por electrones que entran por el terminal de la base y se recombinan allí.

Colección en el Colector: Los electrones restantes que no se recombinaron en la base llegan a la unión Colector-Base. Esta unión está polarizada en inversa, lo que significa que el colector (N) es positivo respecto a la base (P). Este potencial positivo atrae fuertemente a los electrones que llegan desde la base, barriéndolos a través de la región de agotamiento de la unión Colector-Base hacia el terminal del colector. Estos electrones constituyen la mayor parte de la corriente de colector (I C ​ ).

Relaciones de Corriente:

La corriente total que sale del emisor (I E ​ ) se divide en la corriente de base (I B ​ ) y la corriente de colector (I C ​ ):

I E ​ =I B ​ +I C ​

La relación clave para la amplificación es la ganancia de corriente Beta (β o h FE ​ ):

β= I B ​ I C ​ ​

Los valores de β suelen oscilar entre 50 y 300 o más, lo que significa que una pequeña corriente de base puede controlar una corriente de colector hasta 300 veces mayor.

Otra relación es el Alfa (α), que es la relación entre la corriente de colector y la corriente de emisor:

α= I E ​ I C ​ ​

El valor de α es siempre cercano a la unidad (típicamente entre 0.95 y 0.99). Existe una relación entre α y β:

β= 1−α α ​ yα= 1+β β ​

Modos de Operación (Regiones):

Los BJT pueden operar en cuatro regiones diferentes, pero las tres principales para su uso práctico son:

Región de Corte (Cut-off):

Polarización: Ambas uniones (Emisor-Base y Colector-Base) están polarizadas en inversa (o con V BE ​
Aplicación: Se utiliza para representar el estado "OFF" o lógico "0" en circuitos de conmutación.

Región Activa (Active):

Polarización: Unión Emisor-Base en directa y unión Colector-Base en inversa.

Funcionamiento: El transistor actúa como un amplificador. La corriente de colector es directamente proporcional a la corriente de base (I C ​ =β⋅I B ​ ). Un pequeño cambio en I B ​ produce un cambio grande y controlado en I C ​ .

Aplicación: Circuitos amplificadores de audio, RF, reguladores lineales, etc.

Región de Saturación (Saturation):

Polarización: Ambas uniones (Emisor-Base y Colector-Base) están polarizadas en directa.

Funcionamiento: El transistor está completamente encendido y conduce la máxima corriente posible entre colector y emisor, limitado principalmente por la resistencia de la carga externa y la fuente de alimentación. La corriente de colector ya no es proporcional a la corriente de base; incluso si I B ​ aumenta, I C ​ no aumentará significativamente más. El voltaje Colector-Emisor (V CE ​ ) es muy bajo (típicamente 0.1V a 0.3V para transistores de silicio). Actúa como un interruptor cerrado.

Aplicación: Se utiliza para representar el estado "ON" o lógico "1" en circuitos de conmutación (por ejemplo, para encender LEDs, relés, motores). Parámetros Importantes (además de los ya mencionados):

Voltaje de ruptura Colector-Emisor (BV CEO ​ ): Voltaje máximo que el transistor puede soportar entre colector y emisor con la base abierta antes de que la unión se rompa.

Voltaje de ruptura Colector-Base (BV CBO ​ ): Voltaje máximo que el transistor puede soportar entre colector y base con el emisor abierto.

Capacitancias parásitas: Capacitancias intrínsecas entre los terminales (Base-Emisor, Colector-Base, Colector-Emisor) que se vuelven importantes en aplicaciones de alta frecuencia.

Aplicaciones Típicas de los BJT:

Amplificadores: Utilizados en diversas configuraciones (Emisor Común, Base Común, Colector Común) para amplificar señales de voltaje y corriente en audio, radiofrecuencia y otras aplicaciones analógicas.

Interruptores Electrónicos: Para encender/apagar cargas, controlar relés, LEDs, motores pequeños. Se operan entre las regiones de corte y saturación. Osciladores: Generadores de señales periódicas de diversas formas de onda.

Reguladores de Voltaje Lineales: Para mantener un voltaje de salida constante.

FuAunque los MOSFET son más comunes, los entes de Alimentación Conmutadas (en ciertas etapas): BJT de potencia todavía se usan en algunas configuraciones. Circuitos Lógicos (Históricamente y en tecnologías específicas como TTL): Aunque la tecnología CMOS (basada en MOSFET) ha dominado el diseño de circuitos integrados digitales por su menor consumo de energía y mayor densidad de integración, los BJT fueron fundamentales en las primeras generaciones de lógica digital.

A pesar de la prominencia de los MOSFET en los microprocesadores y circuitos integrados modernos, los BJT siguen siendo componentes cruciales en muchos diseños analógicos y de potencia, valorados por su simplicidad, robustez y capacidad para manejar corrientes significativas en ciertas aplicaciones. Comprender cómo funcionan los BJT es una base esencial en la electrónica.