Fundamentos de los Transistores Bipolares (BJT): Estructura, Polarización y Ganancia de Corriente

Introducción a los Transistores Bipolares (BJT) y FET

Existen dos grandes grupos de transistores: los transistores bipolares (BJT) y los transistores de efecto de campo o FETs (Field-Effect Transistors). La distinción fundamental radica en su control:

• Los Bipolares son dispositivos controlados por corriente.
• Los FET son dispositivos controlados por voltaje (tensión).

Terminales y Tipos de Transistores

Los terminales de estos dispositivos se designan de la siguiente manera:

• Transistores Bipolares (BJT): Emisor (E), Colector (C) y Base (B).
• Transistores de Efecto de Campo (FET): Fuente (S, source), Drenador (D, drain) y Compuerta (G, gate).

La base y la compuerta actúan, respectivamente, como electrodos de control.

Clasificación por Estructura

• Los transistores bipolares pueden ser NPN o PNP.
• Los FET pueden ser de canal N o de canal P, y se subdividen en FET de unión (JFET) o de compuerta aislada (MOSFET).

Características Constructivas del Transistor Bipolar

La eficiencia del transistor bipolar depende de su diseño físico, que presenta dos características clave:

1. La Base (B): Es una región sumamente estrecha y poco dopada, lo que implica una concentración muy baja de portadores de corriente.
2. El Emisor (E): La región del emisor está fuertemente dopada. La concentración de portadores mayoritarios en el emisor supera ampliamente la de la base.

Funcionamiento y Polarización del Transistor NPN

La función básica y más importante de un transistor es la amplificación de corriente. Para que el dispositivo desarrolle correctamente esta misión, sus dos uniones o junturas PN deben polarizarse de forma adecuada. Específicamente, la unión E-B debe polarizarse en directo y la unión C-B en inverso, como si se tratara de dos diodos.

Requisitos de Polarización

La polarización adecuada para el modo activo requiere:

• Transistor NPN: La base (material tipo P) debe ser positiva con respecto al emisor (tipo N) y negativa con respecto al colector (N).
• Transistor PNP: La base (tipo N) debe ser negativa con respecto al emisor (P) y positiva con respecto al colector (P).

El voltaje o tensión de polarización directa de la unión B-E la provee la batería $V_{EE}$ y el de polarización inversa de la unión B-C, la batería $V_{CC}$. Por regla general, $V_{CC}$ debe ser mucho mayor que $V_{EE}$.

Corrientes Fundamentales

Como resultado de la aplicación de estas tensiones de polarización, se producen internamente en el transistor tres corrientes:

• Corriente de Base ($I_B$)
• Corriente de Emisor ($I_E$)
• Corriente de Colector ($I_C$)

Las corrientes de colector ($I_C$) y de base ($I_B$) están relacionadas con la corriente de emisor ($I_E$) mediante la siguiente fórmula:

$I_E = I_C + I_B$

Es decir, la corriente de emisor es igual a la suma de las corrientes de base y de colector. Para efectos prácticos, se considera que las corrientes de colector y de emisor son casi iguales ($I_C \approx I_E$).

Cuando se dice que más del 95% de los electrones inyectados alcanzan el colector, se está indicando que la corriente del colector es casi igual a la del emisor. El parámetro alfa ($\alpha$) indica qué tan semejantes son los valores de las dos corrientes.

Parámetros de Ganancia de Corriente ($\alpha$ y $\beta$)

La capacidad de un transistor para amplificar corriente se mide mediante los parámetros alfa ($\alpha$) y beta ($\beta$).

Ganancia Alfa ($\alpha$)

La relación entre la corriente de colector y la corriente de emisor ($I_C / I_E$) se denomina ganancia de corriente alfa ($\alpha$) y es siempre menor de 1.

$$\alpha = \frac{I_C}{I_E}$$

Ganancia Beta ($\beta$)

La ganancia de corriente de la configuración emisor común se determina en la práctica variando $I_B$ y observando el correspondiente cambio en $I_C$, para un determinado valor de $V_{CE}$.

La relación entre la corriente de colector y la corriente de base ($I_C / I_B$) se denomina ganancia de corriente beta ($\beta$). En los manuales, este parámetro aparece especificado como $h_{FE}$ (o $h_{fe}$ para AC).

$$\beta = \frac{I_C}{I_B}$$

Los valores típicos de $\beta$ oscilan generalmente entre 10 y 400.