Transistor de unión bipolar (BJT): funcionamiento, tipos y aplicaciones

BJT – Transistor de unión bipolar – Construcción, funcionamiento, tipos y aplicaciones

Historia

Transistor de unión bipolar (BJT) Fue inventado por William Shockley y John Bardeen. Si bien el primer transistor se inventó hace 70 años, hasta ahora cambió el mundo de misteriosas computadoras grandes a pequeños teléfonos inteligentes. La invención del transistor cambió el concepto de circuitos eléctricos a Circuitos integrados (CI). Hoy en día, el uso de BJT está disminuyendo porque la tecnología CMOS se introdujo en el diseño de circuitos integrados digitales.

Bueno saber: El nombre de Transistor se deriva de la combinación de dos palabras, es decir Transferir y Resistencia = Transistor. En otras palabras, un transistor transfiere la resistencia de un extremo al otro. En resumen, un transistor tiene una alta resistencia en la sección de entrada y una baja resistencia en la sección de salida.

¿Qué es BJT – Unión bipolar? ¿Transistor?

El transistor de unión bipolar (BJT) es un dispositivo bidireccional que utiliza ambos electrones y agujeros como portadores de carga. Mientras que el transistor unipolar es decir Transistor de efecto de campo utiliza sólo un tipo de portador de carga. BJT es un dispositivo controlado por corriente. La corriente fluye de emisor a colector o de colector a emisor según el tipo de conexión. Esta corriente principal está controlada por una corriente muy pequeña en el terminal base.

Construcción

El transistor de unión bipolar está formado por la combinación de dos materiales semiconductores dopados uno detrás del otro. En otras palabras, BJT está formado por el «sándwich» de materiales semiconductores extrínsecos consecutivos. Estos semiconductores extrínsecos son diodos de unión PN. Los diodos de dos uniones PN se intercalan para formar un dispositivo de tres terminales conocido como Transistor BJT. BJT es un dispositivo de tres terminales que tiene dos uniones.

Después de dopar un semiconductor intrínseco con impurezas trivalentes o pentavalentes, se fabrica un semiconductor de tipo P o un semiconductor de tipo N, respectivamente. Si el número de electrones es mayor que el número de agujeros (portadores positivos), entonces eso se conoce como material semiconductor tipo N. Mientras que en los semiconductores tipo P, el número de huecos es mayor que el número de electrones. Cuando el material tipo P y tipo N se conectan entre sí, se convierte en un Diodo de unión PN. Los transistores BJT se forman después de conectar dos uniones PN espalda con espalda. Estos transistores se conocen como PNP o PNP Transistores de unión bipolar dependiendo de si el tipo P o N está intercalado.

Básicamente, los transistores tienen tres porciones y dos uniones. Estas tres porciones se llaman emisor, Coleccionista, y Base. El emisor y el colector intercalan la base entre ellos. La parte media (base) forma dos uniones con el emisor y el colector. La unión de la base con el emisor se conoce como Unión emisor-base mientras que la unión de la base con el colector se conoce como Unión colector-base.

Terminales de BJT

Hay tres terminales de BJT. Estos terminales se conocen como coleccionista, emisor y base. Estos terminales se analizan brevemente aquí.

emisor

El emisor es la parte de un lado del transistor que emite electrones o huecos a las otras dos partes. La base siempre tiene polarización inversa con respecto al emisor para que pueda emitir una gran cantidad de transportistas mayoritarios. Es la región más dopada del BJT. La unión emisor-base debe tener siempre polarización directa tanto en los transistores PNP como en los NPN. El emisor suministra electrones a la unión emisor-base en NPN mientras que suministra agujeros a la misma unión en el transistor PNP.

Coleccionista

La porción en el lado opuesto del emisor que recoge los portadores de carga emitidos (es decir, electrones o huecos) se conoce como coleccionista. El colector está muy dopado, pero el nivel de dopaje del colector está entre el nivel ligeramente dopado de la base y el nivel muy dopado del emisor. La unión colector-base siempre debe tener polarización inversa tanto en transistores PNP como NPN. El motivo de la polarización inversa es eliminar los portadores de carga (electrones o huecos) de la unión colector-base. El colector del transistor NPN recoge los electrones emitidos por el emisor. Mientras que en el transistor PNP, recoge los agujeros emitidos por el emisor.

Base

La base es la porción media entre coleccionista y emisor Y forma dos uniones PN entre ellos. La base es la parte menos dopada del BJT. Ser la parte media del BJT le permite controlar el flujo de portadores de carga entre el emisor y el colector. La unión base-colector muestra una alta resistencia porque esta unión tiene polarización invertida.

Tipo de BJT

Este dispositivo de tres capas formado por una conexión espalda con espalda tiene nombres específicos. puede ser el clima PNP o PNP. Ambas conexiones quedan aquí brevemente en desuso.

PNP Construcción

En el transistor bipolar PNP, el semiconductor tipo N está intercalado entre dos semiconductores tipo P. Los transistores PNP se pueden formar conectando cátodos de dos diodos. Los cátodos de los diodos están conectados entre sí en un punto común conocido como base. Mientras que los ánodos de los diodos que están en lados opuestos se conocen como coleccionista y el emisor.

La unión emisor-base tiene polarización directa, mientras que la unión colector-base tiene polarización inversa. Entonces, en el tipo PNP la corriente fluye del emisor al colector. El emisor, en este caso, tiene un alto potencial tanto para el colector como para la base.

Construcción PNP

El tipo NPN es exactamente opuesto al tipo PNP. En el transistor bipolar NPN, el semiconductor tipo P está intercalado entre dos semiconductores tipo N. Cuando los ánodos de dos diodos se conectan entre sí, se forma un transistor NPN. La corriente fluirá del colector al emisor porque el terminal del colector es más positivo que el emisor en la conexión NPN.

La diferencia entre el símbolo PNP y NPN es la marca de flecha en el emisor que muestra la dirección del flujo de corriente. La corriente fluirá de emisor a colector o de colector a emisor. La marca de flecha en el transistor PNP está hacia adentro, lo que muestra el flujo de corriente desde el emisor al colector. En el caso del colector NPN, la marca de la flecha está hacia afuera, lo que muestra el flujo de corriente desde el colector al emisor.

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Trabajo de BJT

La palabra «transistor» es la combinación de dos palabras, «Trans» (Transformar) y «istor» (Varistor). Entonces, significa que el transistor puede transformar su resistencia. La resistencia varía de tal manera que puede actuar como aislante o conductor aplicando un voltaje de señal pequeño. Esta capacidad de cambio le permite actuar como un «Amplificador«o un»Cambiar”. Se puede utilizar como interruptor o amplificador al mismo tiempo. Por lo tanto, BJT puede operar en tres regiones diferentes para realizar dicha operación.

Región activa:

En Región activa, una de las uniones tiene polarización directa mientras que la otra tiene polarización inversa. Aquí, la corriente base I_b Se puede utilizar para controlar la cantidad de corriente del colector. I_C. Por lo tanto, la región activa se utiliza con fines de amplificación donde el BJT actúa como un amplificador con una ganancia. b usando la ecuación;

i_C = β x yo_b

También se le conoce como región lineal. Esta región se encuentra entre región de corte y el región de saturación. El funcionamiento normal de BJT se produce en esta región.

Región de saturación:

En la región de saturación, ambas uniones del BJT están en polarización directa. Esta región se utiliza para el estado ON de un interruptor. dónde;

i_C = i_{se sentó}

I_{se sentó} es la corriente de saturación y es la cantidad máxima de corriente que fluye entre el emisor y el colector cuando BJT está en la región de saturación. Dado que ambas uniones están en polarización directa, BJT actúa como un cortocircuito.

Región de corte:

En la región de corte, ambas uniones de un BJT tienen polarización inversa. Aquí el BJT funciona como estado apagado de un interruptor donde

i_C = 0

El funcionamiento en esta región es completamente opuesto al de la región de saturación. No hay suministros externos conectados. No hay corriente de colector y, por lo tanto, no hay corriente de emisor. En este modo, el transistor actúa como un estado apagado del interruptor. Este modo se logra reduciendo el voltaje base menos que el voltaje del emisor y del colector.

V_ser < 0,7

Principio de funcionamiento de BJT

BJT tiene dos uniones formadas por la combinación de dos uniones PN consecutivas. Unión Base-Emisor (BE) es sesgo directo mientras unión colector-emisor (CE) es un sesgo inverso. En la unión BE, la barrera potencial disminuye con la polarización directa. Entonces, los electrones comienzan a fluir desde el terminal emisor al terminal base. Como la base tiene un terminal ligeramente dopado, muy pocos electrones del terminal emisor se combinan con los agujeros en el terminal de la base. Debido a la combinación de electrones y huecos, la corriente desde el terminal base comenzará a fluir, lo que se conoce como Corriente base (yo_b). La corriente base es solo el 2% de la corriente del emisor. I_mi mientras que los electrones restantes fluirán desde la unión del colector de polarización inversa conocida como Corriente del colector (i_C). La corriente total del emisor será la combinación de la corriente base y la corriente del colector dada por;

i_mi = yo_b+yo_C

Donde_mi es aproximadamente igual a i_C porque yo_b es casi el 2% del I_C.

Configuración BJT

BJT es un dispositivo de tres terminales, por lo que hay tres formas posibles de conectar BJT en un circuito con un terminal común entre otros. En otras palabras, un terminal es común entre la entrada y la salida. Cada conexión responde de manera diferente a la señal de entrada, como se muestra en la siguiente tabla.

Configuraciones	Ganancia de voltaje	Ganancia de corriente	Ganancia de potencia	Impedancia de entrada	Impedancia de salida	Cambio de fase
Configuración básica común	Alto	Bajo	Bajo	Bajo	Muy alto	0 grados
Configuración de emisor común	Medio	Medio	Alto	Medio	Alto	180 grados
Configuración de recopilador común	Bajo	Alto	Medio	Alto	Bajo	0 grados

Configuración básica común:

En la configuración de base común, el terminal de base es común entre las señales de entrada y salida. La señal de entrada se aplica entre la base y el terminal emisor, mientras que la salida se toma entre la base y el terminal colector.

La señal de salida en el lado del colector es menor que la señal de entrada en el emisor. Entonces, su ganancia es menor que 1. En otras palabras, «atenúa” la señal.

Tiene una salida no inversora, lo que significa que tanto las señales de entrada como de salida son en fase. Este tipo de configuración no se utiliza habitualmente debido a su alta ganancia de voltaje.

Debido a su respuesta de muy alta frecuencia, esta configuración se utiliza para amplificadores de una sola etapa. Estos amplificadores de una sola etapa se pueden utilizar como amplificador de radiofrecuencia y preamplificador de micrófono.

Ganancias de configuración de base común

Ganancia de voltaje
Ganancia de corriente	IC/imi
Ganancia de resistencia	Rl/Ren

Configuración de emisor común

Como sugiere su nombre, en emisor común, el emisor es común entre la entrada y la salida. La entrada se aplica entre la base y el emisor, mientras que la salida se toma entre el colector y el emisor. Se puede reconocer simplemente mirando el circuito. Si el emisor está conectado a tierra mientras la entrada y la salida se toman de la base y el colector respectivamente.

Esta configuración tiene la corriente más alta y ganancia de potencia entre las tres configuraciones. La razón es que la entrada está en la unión de polarización directa, por lo que su la impedancia de entrada es muy baja. Si bien la salida se toma de la unión de polarización inversa, su impedancia de salida es muy alta.

La corriente del emisor en esta configuración es igual a la suma de las corrientes de base y colector. Dado en la ecuación como;

I_mi= yo_C + yo_b

Dónde i_mi es la corriente del emisor

Esta configuración tiene una alta ganancia de corriente que es i_C/i_b. La razón de esta tremenda ganancia de corriente es que la resistencia de carga está conectada en serie con el colector. Se puede ver en la ecuación que un aumento mínimo en la corriente base dará como resultado una corriente extremadamente alta en el lado de salida.

Esta configuración actúa como un amplificador inversor donde la señal de salida tiene una polaridad completamente opuesta a la señal de entrada. Por lo tanto, desplaza la señal de salida a 180° con respecto a su señal de entrada.

Configuración del recopilador común

Configuración de colector común conocida como seguidor de voltaje o seguidor de emisor Tiene un colector conectado a tierra. En la configuración del colector común, el terminal del colector está conectado a tierra al suministro. Entonces, el terminal del colector es común tanto para la entrada como para la salida. La salida se toma del terminal emisor con la carga conectada en serie, mientras que la entrada se envía directamente al terminal base.

Tiene alta impedancia de entrada y baja impedancia de salida. Esto le permite funcionar como un igualador de impedancia. Por tanto, esta configuración es muy útil en la técnica de adaptación de impedancia.

Polarización BJT

El proceso de configurar los niveles de voltaje o corriente de CC del transistor de manera que se logre una amplificación adecuada de la señal de entrada de CA aplicada. Para profundizar más, la polarización es la técnica que se utiliza para evitar que el transistor funcione en modo de corte o en modo de saturación.

Para retener la señal de salida sin pérdida después de la amplificación, es imprescindible una polarización adecuada. El funcionamiento del estado estacionario depende principalmente de la corriente del colector (i_C), corriente base (i_b) y voltaje de colector a emisor (V_CE). Si el transistor está destinado a funcionar correctamente como amplificador. Entonces estos parámetros deben elegirse correctamente, lo que se conoce como polarización del transistor. El objetivo de la polarización del transistor es lograr una conocida punto de funcionamiento en reposo o punto q para bjt para producir una señal de salida sin distorsión. Q2 Lo que se muestra en el gráfico anterior no es un punto q adecuado y provoca que se recorte la parte superior de la señal de salida.

Tipos de sesgo

Sin polarización, el transistor funcionará como aislante o conductor. Entonces, para un propósito de amplificación adecuado, BJT está sesgado mediante diferentes técnicas. Aunque existen muchas técnicas diferentes, se analizan brevemente algunas de las técnicas más comunes.

Sesgo fijo

Se utiliza una única fuente de alimentación tanto para el colector como para la base. En la configuración de polarización fija, la corriente base del BJT permanece constante independientemente del voltaje de CC de entrada (V_cc). Esto depende de seleccionar la resistencia de manera que se mantenga la punto q fijado y por eso conocido como configuración sesgada fija. El valor de la resistencia de polarización se puede encontrar mediante

(V_cc-V_ser) / I_b.

dónde V_ser=0,7v para transistores estándar y

I_b = yo_C / b.

Ventajas del sesgo fijo

Se discuten algunas de las ventajas de este circuito.

• Sin efecto de carga: No hay efecto de carga. Donde el efecto de carga se puede definir como el efecto de la carga sobre la fuente. Al utilizar este circuito para polarizar, podemos deshacernos del nivel reductor de voltaje de la fuente de voltaje.
• Circuito sencillo: Su circuito es muy sencillo porque sólo requiere una resistencia fija RB.
• Cálculo fácil: El método de cálculo es muy sencillo.

Polarización fija con resistencia del emisor

Es la forma modificada de circuito polarizado fijo donde se conecta una resistencia externa al terminal del emisor. Este circuito requiere una resistencia adicional para el emisor que proporciona retroalimentación negativa.

El voltaje de polarización V_{CAMA Y DESAYUNO}-V_SER = yo_BR_B + yo_miR_mi debería aparecer en RE para configurar I_mi≈yo_C.

Circuito de polarización fija con resistencia de emisor.

Ventajas de la polarización fija con configuración de emisor

• Sin fuga térmica: La deficiencia de fuga térmica en polarización fija se puede superar con polarización fija con configuración de resistencia del emisor. La fuga térmica se puede definir como el aumento de la corriente del colector con un aumento de la temperatura. Esto provoca la autodestrucción porque la sobrecorriente provoca un sobrecalentamiento.
• El problema con esta configuración es que reduce la ganancia del amplificador BJT. Este problema se puede superar muy fácilmente evitando la resistencia del emisor.

Sesgo de colector a base

La resistencia base está conectada al terminal del colector en este tipo de polarización. Esta configuración estabiliza el punto de funcionamiento y evita la fuga térmica mediante el empleo de retroalimentación negativa. Esta configuración es también la versión mejorada de la configuración de polarización fija. La resistencia de polarización está conectada entre el colector y la base, lo que proporciona una ruta de retroalimentación. El sesgo de colector a base es una técnica mejorada con respecto a la técnica de sesgo fijo.

Esta configuración también se conoce como circuito de retroalimentación polarizado por voltaje. Porque Rb aparece directamente en la salida y la entrada. En otras palabras, una parte de la producción se retroalimenta a la entrada. Entonces existe retroalimentación negativa en el circuito.

Si hay un cambio en beta debido a la variación pieza a pieza o al aumento de temperatura en beta y I_coentonces la corriente del colector intenta aumentar aún más debido a lo cual la caída de voltaje en R_C aumenta. Como resultado, V._CE y yo_b disminuye. Por lo tanto, el valor final del valor del colector I_C se mantiene estable mediante el circuito, que mantiene fijo el punto Q.

Este circuito también se conoce como Circuito de polarización de retroalimentación de voltaje porque R_b aparece directamente a través de la entrada y la salida en este circuito. El aumento de la corriente del colector disminuye la corriente de base.

Polarización del divisor de voltaje o divisor de potencial

Dos resistencias externas R₁ y r₂ se utilizan para este tipo. El voltaje a través de R₂ polariza directamente la unión del emisor. Con la selección adecuada de R₁ y r₂, el punto de funcionamiento del transistor se puede hacer independiente de Beta. La polarización del divisor potencial es el método más popular y utilizado para polarizar un transistor. El diodo emisor está polarizado directamente controlando la caída de voltaje en R₂.

R_b =R₁ || R₂

En el circuito de polarización del divisor de voltaje, el valor de R_b es igual a la combinación paralela de R₁ y r₂.

Circuito de polarización del divisor de voltaje:

Ventaja de la polarización del divisor de voltaje

Independiente de beta: La principal ventaja del circuito de polarización del divisor de voltaje es que el transistor ya no dependerá de beta. La razón es que los voltajes del terminal del transistor, es decir, los voltajes del colector, del emisor y de la base, dependerán del circuito externo. Resistencia del emisor R_mi permite la estabilidad de la ganancia a pesar de las fluctuaciones en beta.

Limitaciones de BJT

A continuación se presentan algunas limitaciones del transistor de unión bipolar;

• Voluminoso: Los BJT son voluminosos y requieren más espacio y, por lo tanto, rara vez se utilizan en la fabricación de circuitos integrados (CI).
• Baja frecuencia de conmutación: Su tiempo de conmutación es muy bajo, lo que es otra razón por la que rara vez se utiliza en CI En comparación con los MOSFET, la frecuencia es muy baja.
• Corriente de fuga: Las corrientes de fuga con BJT son suficientes para que no puedan usarse para alta frecuencia.
• Estabilidad térmica de BJT: En comparación con otros transistores, la estabilidad térmica del BJT es muy baja y es un dispositivo ruidoso.
• Escapes térmicos: BJT sufre un problema de fuga térmica que produce un exceso de calor. En otras palabras, provoca la autodestrucción. Como el calor que produce es igual a I.² Entonces, el exceso de corriente provocará un calor excesivo que quemará el BJT.
• Efecto temprano: La corriente del emisor al colector está controlada por la corriente de base. Si el ancho de la base se mueve a cero, lo que se conoce como perforar, entonces la unión del colector y el emisor se tocan entre sí. Después de eso, comienza a fluir una tremenda corriente del emisor al colector que no puede controlarse mediante la corriente base. Este descontrol se conoce como efecto temprano y es una de las principales limitaciones del BJT.

Vulnerabilidad

El daño por radiación causa al transistor cuando los transistores se exponen a la radiación de ionización. La vida útil del portador minoritario se reduce después de la exposición a la radiación, lo que provoca una pérdida gradual de ganancia del transistor.

El transistor tiene clasificaciones de potencia y tensión de ruptura inversa más allá del cual el BJT puede dejar de funcionar. Cuando los BJT funcionan más allá de su potencia nominal o voltaje de ruptura inverso, los BJT no funcionarán correctamente o pueden dañarse permanentemente.

En caso de polarización inversa, la unión emisor-base causará desglose de avalancha lo que dañará permanentemente la ganancia de corriente del transistor de unión bipolar.

Ventajas de BJT

• Gran ancho de banda de ganancia: La ganancia de ancho de banda es la diferencia entre la frecuencia de corte máxima y mínima. La ganancia en la frecuencia de corte es 0,7. Al aumentar o disminuir aún más la frecuencia desde la frecuencia de corte máxima y mínima respectivamente, la ganancia disminuye, lo cual no es utilizable. Entonces BJT ofrece una amplia gama de frecuencias que ofrecen una ganancia mayor que 0,7. Por lo tanto, el BJT tiene una enorme ganancia de ancho de banda.
• Bajas caídas de tensión directa: Los BJT tienen 0,6v de caída de tensión directa, que es un punto muy bajo y bastante importante. El punto es de gran importancia porque más voltaje directo causará una pérdida de energía innecesaria de acuerdo con P=VI. Significa que para el mismo tipo de carga, un dispositivo que tenga una alta caída de tensión directa provocará una pérdida de energía innecesaria.
• Pareja de Darlington: Debido a su baja impedancia de salida y alta impedancia de entrada, BJT puede proporcionar meritoria ganancia actual.
• Larga vida: Los BJT tienen una vida útil relativamente larga. El dispositivo se pudre porque la corriente de saturación aumenta con el paso del tiempo. Si bien se pueden utilizar diferentes técnicas de polarización para superar este problema y aumentar aún más la vida útil del dispositivo.

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Aplicación de BJT

Estas son algunas de las aplicaciones del transistor de unión bipolar;

• Convertidores: Los BJT se pueden utilizar en la gran mayoría de convertidores. Estos convertidores pueden ser de diferentes tipos como inversores, convertidores reductores, convertidores elevadores o cualquier CC-CC, CC-CA AC/DC o CA-CA
• Sensores de temperatura: Encontrar la temperatura es una de las otras aplicaciones de BJT. Cuando esto se puede encontrar restando dos voltajes en dos niveles diferentes en una proporción conocida
• Alta capacidad de conducción: Tiene alta capacidad de conducción. Para capacidad de manejo de corriente o alto voltaje, los dispositivos se conectan en serie y en paralelo de manera correspondiente. Pero siempre se tiene en cuenta la capacidad de conducción de los dispositivos individuales.
• Operación de alta frecuencia: Los BJT pueden funcionar en una frecuencia muy alta. La frecuencia del BJT para señales pequeñas es mucho mayor que su frecuencia de conmutación, principalmente debido al retraso de almacenamiento. El tiempo de almacenamiento del 2N2222 es de 310 ns, por lo que la frecuencia de conmutación máxima es de aproximadamente 3 MHZ.
• interruptor digital: La familia de lógica digital tiene lógica de emisor acoplado que se utiliza en los BJT como interruptor digital.
• Circuito de oscilación: Se prefieren en circuitos de oscilación.
• Tijeras: Los BJT se pueden utilizar en circuitos de recorte para cambiar la forma de las ondas. Esto se puede utilizar como un diodo simple para fines de recorte, pero el problema con el diodo es que no está controlado.
• Demodulador y modulador: Los BJT se pueden utilizar en circuitos de modulación y demodulación. Los BJT todavía utilizan la muy antigua técnica de modulación conocida como «Amplitud modulada”.
• Circuitos de detección: Los BJT se pueden utilizar en circuitos detectores. BJT podría ser un nuevo tipo de sensor semiconductor para medir la dosis de radiación de ionización.
• Amplificadores: Una de las aplicaciones más importantes de los BJT es la amplificación, donde se utiliza en el circuito del amplificador para amplificar señales pequeñas. Como en los amplificadores de audio, estos pequeños componentes amplifican una señal de audio muy baja hasta un rango audible.
• Interruptores electrónicos: Se puede utilizar como interruptor electrónico. Los BJTS se utilizan en inversores para cambiar la dirección de la corriente CC y convertirse en corriente CA.
• Cambio automático: Se puede utilizar en lugar del interruptor manual en un circuito eléctrico. La señal de salida de los sensores a veces es inútil en los circuitos eléctricos porque estas señales son muy bajas. Sin embargo, estas señales serán útiles si impulsan los BJT. Como BJT opera con señales bajas. Entonces, estos interruptores BJT pueden ejecutar cargas pesadas, incluidos motores.

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