Estudio de los Transistores

Transistor de unión bipolar (Bipolar Junction Transistor o BJT)

Cuando una capa de Si tipo n se pone entre medio, como un sándwich, entre dos capas de Si tipo p, obtenemos un transistor pnp. Si una capa tipo p se pone entre dos capas tipo n, tendremos un transistor npn. El "jamón del sándwich", es decir, la capa en el medio, se llama la base (B) y los dos panes, es decir, las capas externas se llaman emisor (E) y colector (C). Los dos tipos de transistores y sus símbolos electrónicos se muestran en la Figura 1. Una cosa importante es el hecho de que en ambos casos, la base es muy delgada ((10-6 m) y muy poco dopada (es decir, con muy pocas impurezas que favorecerían la conducción) respecto al emisor.

Figura 1

Un transistor npn puede considerarse como un diodo np seguido de un diodo pn, y de forma análoga para el transistor pnp. Por lo tanto, las ideas presentadas en la discusión sobre diodos se usarán ahora para explicar el comportamiento físico de un transistor. Limitaremos nuestra discusión al transistor npn. Argumentos similares a los que presentaremos para el transistor npn pueden ser usados para el transistor pnp.

Cuando las tres capas de semiconductor se ponen juntas, los transportadores mayoritarios fluirán a través de las dos uniones, creando diferencias de potencial de contacto entre el emisor y la base y entre el colector y la base. Si asumimos uniones completamente simétricas (y asumiendo que el emisor y el colector tienen idénticas concentraciones de impurezas), los potenciales de contacto Vc en la unión emisor-base y en la unión colector-base serán iguales. Noten que en la ausencia de un potencial externo, el potencial del lado n de la unión pn es mayor que el del lado p en una cantidad igual al potencial de contacto Vc. Las variaciones del potencial en las tres secciones del transistor npn se muestran en la Figura 2(a). Las barreras de energía potencial asociadas para electrones y huecos se muestran en la Figura 2(b) y (c) respectivamente.

Figura 2

Para apreciar los aspectos básicos de un transistor como elemento de un circuito activo, consideremos el circuito de la Figura 3.

Figura 3

El lado izquierdo del circuito, esto es, la sección que contiene a V1, la base y el emisor, es idéntica al circuito del diodo de polarización directa (foward biased) de la Figura 8(a) de la clase 16. Por otro lado, el lado derecho, es decir, la sección que contiene a V2, el colector y la base, es idéntica al circuito del diodo con polarización inversa (reversed biased) de la Figura 8(b) de la clase 16. Debido a que la base es común a ambas secciones, el circuito de la Figura 3 se denomina circuito de configuración de base común (common base configuration circuit). Ya vimos antes que la caída del potencial externo en el diodo ocurre casi por completo en la región de la unión. La batería V1, en el lado izquierdo del circuito, estando conectada su terminal positiva a la base tipo p, disminuye el potencial del lado del emisor tipo n relativo al potencial de la base tipo p (como se mostró en la Clase 16, figura 9) en una cantidad dada por VBE. Como resultado de esto, la diferencia de potencial entre emisor y base se reduce a Vc-VBE. En el circuito del lado derecho, pasa lo opuesto. Estando la terminal positiva de la batería V2 conectada al colector tipo n, la batería aumenta el potencial del colector relativo a la base tipo p en una cantidad que llamamos VCB; como resultado de esto, la diferencia de potencial entre colector y base se aumenta a Vc+VCB (como se mostró en la Clase 16 figura 10). Como en el caso del diodo, esto lleva a una reducción en la barrera de energía potencial en la unión base-emisor y un aumento en la altura de la barrera en la unión colector-base. Las nuevas diferencias de potencial entre las uniones se muestran en la Figura 4(a). Las barreras de energía potencial asociadas para electrones y huecos se muestran en la Figura 4(b) y (c) respectivamente. Las líneas discontinuas en las tres figuras representan los valores de las cantidades antes de la aplicación de los voltajes de polarización directa.

Figura 4

La caída de la barrera en la unión base-emisor permitirá que sean inyectados electrones desde el emisor a la base, así como huecos desde la base al emisor. Los electrones que no recombinen con huecos en la región base y que tampoco se escapen por la conexión de la base con el circuito, difundirán a través de la base y alcanzarán la unión del colector (Figura 5). Una vez allí, verán la diferencia de potencial positiva Vc+VCB (energía potencial negativa) y serán acelerados a través de la unión, y finalmente "recogidos" por el colector.

Figura 5

Analicemos los distintos componentes que contribuyen a la corriente del emisor iE, a la corriente del colector iC y a la corriente de la base iB de la Figura 3. Primero, sin embargo, debemos notar que un transportador de carga que atraviesa la unión base-emisor contribuirá a la corriente del emisor. Por ejemplo, si un electrón que viene del emisor cruza la unión hacia la base, también entrará un electrón desde el cable a la izquierda del emisor a la región del emisor para preservar la neutralidad de carga en la región. Cuando un hueco cruza la unión desde la base al emisor, se recombinará con un electrón en el emisor.

Así, prácticamente todos los electrones lograrán alcanzar el colector. Valores típicos para ( son entre 0.900 a 0.998.

Debido a que la unión base-colector está en polarización inversa (Figura 3), no hay contribución de los transportadores mayoritarios (huecos en la base y electrones en el colector) a iC. La única contribución adicional es de la pequeña corriente de saturación i0 debido a la corriente de transportadores minoritarios a través de la unión colector-base. Esta contribución, como ya sabemos, es extremadamente chica. Por lo tanto,

Veamos ahora el funcionamiento del transistor como amplificador de voltaje. La Figura 6 muestra una versión modificada del circuito de configuración de base común visto en la figura 3. Una pequeña resistencia R1 se introdujo en el circuito base-emisor y una resistencia grande R2 en el circuito colector-base. La razón de introducir estas dos resistencias y la elección de R2 mayor que R1 quedará clara en un momento.

Figura 6

Debemos notar que, a pesar de que la introducción de estas dos resistencias reducirá la diferencia de potencial a través de la unión (recuerden que, cuando una corriente i pasa a través de una resistencia R, hay una caída de potencial iR a través de la resistencia), esto no afectará el tipo de polarización de las uniones. La unión emisor-base se mantiene con polarización directa debido a que la base tipo p está conectada directamente al lado positivo de V1 mientras que el emisor tipo n está conectado a través de la resistencia R1 al lado negativo de V1. Igualmente, la unión colector-base se mantiene en polarización inversa debido a que la base tipo p está conectada directamente al lado negativo de V2 mientras que el colector tipo n está conectado a través de la resistencia R2 a la terminal positiva de V2. Debemos también remarcar que la reducción de VCB resultado de la presencia de la gran R2 no afectará significativamente el valor de iC porque, como ya vimos antes, iC está esencialmente determinada por iE y no por VCB.

Una de las principales utilidades del transistor es como amplificador. En una configuración de base común (Figura 6), la entrada (input), como una diferencia de potencial, alimenta al circuito emisor-base por aplicación de un voltaje (V1 como se muestra en la Figura 6.

El voltaje de entrada será amplificado a la salida por un factor igual a la relación de las resistencias de salida y entrada.

La resistencia efectiva Re de la unión emisor-base en polarización directa no es constante sino que depende del voltaje a través de la unión. Esto es debido a que en una unión p-n la corriente no aumenta linealmente con el voltaje; esto es, la unión p-n no obedece la ley de Ohm (vean sino la Figura 11 de la Clase 16).

Así entonces el voltaje es amplificado en un factor 455.

Veamos ahora otra configuración que, en realidad, es la configuración más usada para los transistores, en la que el emisor es común a los circuitos de entrada y salida. La Figura 7 es un ejemplo entonces del circuito de configuración de emisor común (Common Emitter Configuration).

Figura 7

La rama de entrada, constituida por V1, R1 y la unión base-emisor es idéntica a la sección de entrada del circuito de configuración de base común de la figura 6. La base tipo p está conectada directamente a la terminal positiva de V1 mientras que el emisor tipo n está conectado a través de la resistencia R1 a la terminal negativa de V1. La unión base-emisor está entonces en polarización directa. Respecto a la rama de salida, es diferente del circuito anterior. Además de la batería V2 y la resistencia R2, contiene dos uniones, la unión base-colector y la unión emisor-base. Debido a que el emisor está conectado directamente a la terminal negativa de V2, mientras que el colector está conectado a través de R2 a la terminal positiva de V2, el potencial del colector es mayor que el del emisor en una cantidad VCE=V2-iCR2. La naturaleza de la polarización de la unión base-colector dependerá de los valores relativos de los voltajes entre el colector y el emisor VCE y el voltaje entre la base y el emisor VBE. Ya veremos esto en más detalle.

En la configuración de emisor común, la corriente de entrada iB es una variable independiente y la corriente de salida iC es una variable dependiente. Diciendo esto de una forma distinta, la corriente de base iB, que está determinada por V1 y R1 porque la unión emisor-base tiene polarización directa, controla a la corriente del colector iC. La figura 8 muestra las curvas características para un transistor 2N2222A npn. El eje horizontal es el voltaje colector-emisor VCE, y el eje vertical es la corriente del colector iC. Las curvas corresponden a diferentes valores de iB.

reg. de reg.

saturación activa

Figura 8

Las características de la salida pueden dividirse en dos regiones: la región activa y la región de saturación. La región activa es a la derecha de la curvatura máxima de las gráficas; en la curvatura máxima VCE ( a algunas decenas de volts. En esta región iC es muy sensible a iB pero casi independiente de VCE. La región de saturación es a la izquierda de la curvatura máxima. En la región de saturación iC aumenta rápidamente con VCE. En la región activa, la unión base-colector tiene polarización inversa. Veamos como surge esto. La unión emisor-base tiene polarización directa. El voltaje a través de una unión con polarización directa corresponde en general a una decena de volts, 0.6V o menos es el valor típico para una unión de Si. Por lo tanto VBE será 0.6V o menos. Si VCE es mayor que 0.6V, entonces la diferencia de potencial entre el colector y la base es mayor que entre la base y el emisor (ver Figura 4), por lo tanto la unión colector-base está en polarización inversa. De esta forma, en la región activa la unión emisor-base está en polarización directa mientras que la unión colector-base está en polarización inversa., esto es, la situación es análoga a lo discutido en la configuración de base común.

Como consecuencia de esto, la unión colector-base se volverá con polarización directa.

Figura 9

La corriente neta del colector decrecerá rápidamente a medida que la unión CB se vuelva cada vez mas con polarización directa (esto es, como VCE decrece por debajo de 0.6 V), hasta que VCE=0. En este punto, el emisor y el colector tienen igual potencial. Esto significa que las uniones CB y EB están con polarización directa, y por lo tanto la corriente neta es cero.

Transistores de efecto-campo (Field-effect Transistors o FET)

Una desventaja de los transistores de unión bipolar es su baja resistencia en el circuito de entrada; en muchos casos esto es un efecto indeseado. Por ejemplo, si el voltaje que cae a través de una resistencia se usa para V1 en la Figura 7, la corriente a través de la resistencia cambiará y por lo tanto también cambiará el voltaje a través de la resistencia. Esta dificultad se remedia con otro tipo de transistor cuyo nombre general es Transistor de efecto-campo (FET). Existen básicamente dos tipos de FET: el transistor de efecto-campo de unión (Junction Field-Effect Transistor (JFET)) y el transistor de efecto-campo de semiconductor metal-óxido (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET).

Los FET tienen dos características que sobresalen:

• 1. Son dispositivos controlados por voltaje. La corriente a través del dispositivo está controlada por un campo eléctrico asociado con el voltaje ubicado en un electrodo llamado puerta (gate).

• 2. La corriente es transportada por transportadores de polaridad única (transportadores mayoritarios). Por esta razón a este tipo de transistores se les suele llamar transistores unipolares.

Transistor de efecto-campo de unión (Junction Field-Effect Transistor(JFET))

Un esquema del JFET y como puede usarse en un circuito se muestra en la Figura 10. El JFET consiste en un canal de un semiconductor, por ejemplo, tipo n (indicada en la figura como n-type rod) con el cuál hacen contacto dos metales óhmnicos, llamados la fuente (source) y el drenaje (drain). Una región de semiconductor fuertemente dopada tipo-p, llamada la puerta (gate) rodea a la línea tipo n.

Figura 10

En su modo normal de operación, el drenaje se mantiene a un potencial positivo Vd respecto a la fuente. La puerta se mantiene a un potencial negativo Vg respecto a la fuente. La diferencia de potencial entre drenaje y fuente dá origen a la corriente id a través del canal tipo n (n-type rod). Esta corriente producirá una caída idR a lo largo del canal. Como consecuencia, el potencial a lo largo del canal varía desde cercano a Vd en la parte de la línea cercana al drenaje hasta casi cero en la parte cercana a la fuente. La unión p-n formada donde la compuerta está en contacto con el canal está con polarización inversa, volviéndose progresivamente más hacia el drenaje. Como resultado, cerca de la unión p-n hay una zona de agotamiento(depletion layer) (igual a la estudiada en la Clase 16, figura 5). Debido a que las puertas están fuertemente dopadas respecto al canal, esta zona de agotamiento se ubica principalmente en la región n (el canal). Además, como el ancho de esta zona de agotamiento depende de la diferencia de potencial a través de la unión de polarización inversa, será más angosta cerca del drenaje que cerca de la fuente. La zona de agotamiento efectivamente actúa como aislante; esto significa que id se vé forzada a moverse a través del canal en la línea tipo n. La Figura 11 muestra la dependencia de id versus Vd para varios valores de voltaje de la compuerta, Vg.

Figura 11

Veamos el caso cuando Vg =0. A medida que Vd se aumenta desde cero, el canal tipo n actúa como un dispositivo óhmnico; esto es, id es proporcional a Vd. Para valores chicos de Vd, la zona de agotamiento es muy chica y el canal actúa simplemente como una resistencia de valor constante. Sin embargo, a medida que Vd aumenta, la unión p-n en la compuerta se vuelve más y más de polarización inversa; esto significa que la zona de agotamiento se esparce cada vez más en el cuerpo de la línea tipo n y fuerza a la corriente a fluir a través de un canal que se vuelve progresivamente más angosto. Esto tiene el efecto de aumentar la resistencia del canal (debido al decrecimiento de la sección eficaz A). De esta forma la corriente id no aumenta tan rápido como lo hacia inicialmente cuando Vd era chico. Eventualmente, el canal se hará tan chico que el aumento esperado de id debido al aumento de Vd es inhibido por el crecimiento asociado de R debido a la reducción en tamaño del canal conductor: La corriente entonces se estabiliza.

Si Vg es inicialmente negativo, el ancho de la capa de agotamiento para un dado Vd será mayor que cuando Vg era cero. Esto tiene dos efectos: (1) la resistencia inicial del canal (cuando Vd es chico) será mayor, lo que explica el porqué la pendiente de las curvas decrece a medida que Vg se vuelve más y más negativo; y (2) la estabilización de la corriente ocurrirá a un valor menor de Vd y id.

El símbolo electrónico para el JFET con canal n se muestra en la Figura 12(a). Un JFET con canal p puede construirse haciendo que la línea sea de material tipo p y las puertas de material fuertemente dopado tipo n. La polaridad de Vd y Vg será inversa. El símbolo electrónico para un JFET con canal p se muestra en la Figura 12(b).

Transistor de efecto-campo de metal-óxido-semiconductor (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET))

Otro tipo de FET, el transistor de efecto-campo de metal-óxido-semiconductor, se ilustra en la Figura 13.

Figura 13

Está constituido de dos regiones tipo n fuertemente dopadas difundidas en un sustrato tipo p. Las dos regiones n sirven como drenaje y fuente. El electrodo compuerta es una capa metálica depositada en lo alto de una capa aislante de SiO2. Cuando Vg =0, ninguna corriente fluye entre el drenaje y la fuente. La razón es que, donde el drenaje hace contacto con el substrato tenemos una unión de polarización inversa. Si un potencial positivo se aplica a la puerta, electrones desde el substrato p serán atraídos hacia la interfase SiO2-substrato. Estos electrones recombinarán con los huecos en la región tipo p del substrato cerca de la interfase. Eventualmente una delgada capa cerca de la interfase se volverá una capa tipo n. Esto provee un canal para la corriente id para fluir desde el drenaje a la fuente cuando el voltaje Vd es aplicado entre ellos. A mayor Vg, mayor será el ancho del canal y consecuentemente, mayor será id para un dado Vd. Esto se muestra en la Figura 14, que representa la dependencia de id en Vd para diferentes valores de Vg.

Figura 14

Además de la característica recién mencionada (el aumento de id con Vg), vemos que a partir de cierto valor de Vd, id adquiere un valor constante. La razón de esto es la misma que para el JFET. Cuando el canal tipo n se forma, tenemos una unión p-n entre el substrato tipo p y el canal tipo n. Una zona de agotamiento se forma y aumenta a medida que Vd se hace más y más positivo. Esto es porque el canal tipo n se vuelve positivo (más cerca del drenaje que de la fuente) respecto al substrato tipo p, que está conectado directamente a la terminal negativa Vdd. Esta zona de agotamiento aumenta la resistencia del canal y eventualmente conduce a parar el crecimiento de id.

Los símbolos electrónicos para el MOSFET con canal n (substrato tipo p) y para el MOSFET con canal tipo p (substrato tipo n) se muestran en la Figura 15 (a) y (b) respectivamente.

Figura 15

Autor:

Pablo Turmero