Sin embargo, el 23 de diciembre de 1947 la industria electrónica atestiguó el advenimiento de una dirección de interés y desarrollo completamente nueva. Fue en el transcurso de la tarde de ese día que Walter H. Brattain y John Bardeen demostraron el efecto amplificador del primer transistor en los Bell Telephone Laboratorios. El transistor original (un transistor de punto de contacto) se muestra en la figura 3.1. De inmediato, las ventajas de este dispositivo de estado sólido de tres terminales sobre el tubo electrónico fueron evidentes: era más pequeño y ligero; no tenía requerimientos de filamentos o pérdidas térmicas; ofrecía una construcción de mayor resistencia y resultaba más eficiente porque el propio dispositivo absorbía menos potencia; instantáneamente estaba listo para utilizarse, sin requerir un periodo de calentamiento; además, eran posibles voltajes de operación más bajos. Obsérvese en la presentación anterior que este capítulo es nuestro primer estudio de dispositivos con tres o más terminales. El lector descubrirá que todos los amplificadores (dispositivos que incrementan el nivel de voltaje, corriente o potencia) tendrán al menos tres terminales con una de ellas controlando el flujo entre las otras dos.
Figura 3.1 El primer transistor.
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea de dos capas de material tipo n y una de tipo p o dos capas de material tipo p y una de tipo n. El primero se denomina transistor npn, en tanto que el último recibe el nombre de transistor pnp. Ambos se muestran en la figura 3.2 con la polarización de cd adecuada. En el capítulo 3 encontraremos que la polarización de cd es necesaria para establecer una región de operación apropiada para la amplificación de ca. Las capas exteriores del transistor son materiales semiconductores con altos niveles de dopado, y que tienen anchos mucho mayores que los correspondientes al material emparedado de tipo p o n. En los transistores que se muestran en la figura 3.2, la relación entre el ancho total y el de la capa central es de 0.150/0.001 = 150:1. El dopado de la capa emparedada es también considerablemente menor que el de las capas exteriores (por lo general de 10:1 o menos). Este menor nivel de dopado reduce la conductividad (incrementa la resistencia) de este material al limitar el número de portadores "libres".
En la polarización que se muestra en la figura 3.2, las terminales se han indicado mediante letras mayúsculas, E para el emisor, C para el colector y B para la base. Una justificación respecto a la elección de esta notación se presentará cuando estudiemos la operación básica del transistor. La abreviatura BJT (bipolar junction transistor = transistor de unión bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno de los portadores se emplea (electrón o hueco), se considera que el dispositivo es unipolar.
Figura 3.2 Tipos de transistores: (a) pnp; (b) npn.
La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor pnp de la figura 3.2a. La operación del transistor npn es exactamente igual si se intercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos. En la figura 3.3 se ha redibujado el transistor pnp sin la polarización base a colector. Nótense las similitudes entre esta situación y la del diodo polarizado directamente en el capítulo 1. El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al tipo n.
Figura 3.3 Unión polarizada directamente de un transistor pnp.
Una unión p-n de un transistor está polarizada inversamente, en tanto que la otra presenta polarización directa.
En la figura 3.5 ambos potenciales de polarización se han aplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritario que se indica. En la figura 3.5 nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indican con toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente. Como se indica en la figura 3.5, un gran número de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión p~n polarizada directamente dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadores contribuirán en forma directa a la corriente de base IB o pasarán directamente hacia el material tipo p. Puesto que el material tipo n emparedado es sumamente delgado y tiene una baja conductividad, un número muy pequeño de estos portadores seguirá la trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base. La magnitud de la corriente de base es por lo general del orden de microamperes en comparación con los miliamperes de las corrientes del emisor y del colector. El mayor número de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada inversamente dentro del material tipo p conectado a la terminal del colector, como se indica en la figura 3.5. La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios pueden cruzar la unión polarizada inversamente puede comprenderse si consideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el material tipo n. En otras palabras, ha habido una inyección de portadores minoritarios al interior del material de la región base de tipo n. Combinando esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios, en la región de agotamiento cruzarán la unión polarizada inversamente, se explica el flujo que se indica en la figura 3.5.
Figura 3.4 Unión polarizada inversamente de un transistor pnp.
Figura 3.5 Flujo de portadores mayoritarios y minoritarios de un transistor pnp.
IE = IC + IB
y descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el colector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector está formada por dos componentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en la figura 3.5. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga y se simboliza mediante ICO (corriente IC con la terminal del emisor abierta = open). Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante la ecuación (3.2).IC = ICmayoritaria + ICOminoritaria
En el caso de transistores de propósito general, IC se mide en miliamperes, en tanto que ICO se mide en microamperes o nanoamperes. ICO como Is para un diodo polarizado inversamente, es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando se consideren aplicaciones de intervalos amplios de temperatura. Si este aspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de un sistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en las técnicas de construcción han producido niveles bastante menores de ICO, al grado de que su efecto puede a menudo ignorarse.2.2 Configuración de base común.
La notación y símbolos que se usan en conjunto con el transistor en la mayor parte de los textos y manuales que se publican en la actualidad, se indican en la figura 3.6 para la configuración de base común con transistores pnp y npn, La terminología relativa a base común se desprende del hecho de que la base es común a los lados de entrada y salida de la configuración. Además, la base es usualmente la terminal más cercana o en un potencial de tierra. A lo largo de estos apuntes todas las direcciones de corriente se referirán a la convencional (flujo de huecos) en vez de la correspondiente al flujo de electrones. Esta elección se fundamenta principalmente en el hecho de que enorme cantidad de literatura disponible en las instituciones educativas y empresariales hace uso del flujo convencional, de que las flechas en todos los símbolos electrónicos tienen una dirección definida por esta convención. Recuérdese que la flecha en el símbolo del diodo define la dirección de conducción para la corriente convencional. Para el transistor:
La flecha del símbolo gráfico define la dirección de la corriente de emisor (flujo convencional) a través del dispositivo.
Figura 3.6 Notación y símbolos en la configuración de base común.
Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, tales como los amplificadores de base común de la figura 3.6, 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. El conjunto de entrada para el amplificador de base común, como se muestra en la figura 3.7, relacionará una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE ) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).
Figura 3.7 Características del punto de excitación para un transistor amplificador de silicio de base común.
La región activa se define por los arreglos de polarización de la figura 3.6. En el extremo más bajo de la región activa la corriente de emisor (IE) es cero, la comente de colector es simplemente la debida a la corriente inversa de saturación ICO , como se indica en la figura 3.8. La corriente ICO es tan pequeña (del orden de microamperios) en magnitud comparada con la escala vertical de IC (del orden de los miliamperios), que aparece virtualmente sobre la misma línea horizontal que IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para la configuración base común se ilustran en la figura 3.9. La notación usada con más frecuencia para ICO, en hojas de datos y de especificaciones es ICBO como se indica en la figura 3.9. A causa de las técnicas mejoradas de construcción, el nivel de ICBO para transistores de propósito general (especialmente silicio) en los intervalos de potencia bajo y medio es por lo general tan reducido que su efecto puede ignorarse. Sin embargo, para unidades de mayor potencia ICBO aún aparecerá en el intervalo de los microamperios. Además, recuérdese que ICBO para el diodo (ambas corrientes inversas de fuga) es sensible a la temperatura. A mayores temperaturas el efecto de ICBO puede llegar a ser un factor importante ya que se incrementa muy rápidamente con la temperatura.
Figura 3.9 Saturación de corriente inversa.
IC ð IE
Como se deduce de su nombre, la región de corte se define como aquella región donde la corriente de colector es de 0 A, como se demuestra en la figura 3.8. En suma:En la región de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor están inversamente polarizadas.
La región de saturación se define como la región de las características a la izquierda de VCB = 0 V. La escala horizontal en esta región se amplió para mostrar claramente el gran cambio en las características de esta región. Nótese el incremento exponencial en la comente de colector a medida que el voltaje VCB se incrementa más allá de los 0 V.
En la región de saturación las uniones colector-base y base-emisor están polarizadas directamente.
Las características de entrada de la figura 3.7 muestran que para valores fijos de voltaje de colector (VCB), a medida que el voltaje de base a emisor aumenta, la corriente de emisor se incrementa de una manera que se asemeja mucho a las características del diodo. De hecho, los niveles de aumento de VCB tienen un efecto tan insignificante sobre las características que, como una primera aproximación, la variación debida a los cambios en VCB puede ignorarse y se dibujan las características como se ilustra en la figura 3.10a. Si aplicamos entonces el método del modelo de segmentos lineales del diodo ideal, se obtendrán las características de la figura 3.10b. Adelantando un paso más e ignorando la pendiente de la curva y por tanto la resistencia asociada con la unión directamente polarizada, se obtendrán las características de la figura 3. lOc. Para los siguientes análisis en estos apuntes, el modelo equivalente de la figura 3.l0c se empleará para todos los análisis de cd para redes de transistores. Es decir, una vez que el transistor esta en el estado "encendido" o de conducción, se supondrá que el voltaje de base a emisor será el siguiente:
VBE = 0.7 V
En el modo de cd los niveles de IC e IE debidos a los portadores mayoritarios están relacionados
por una cantidad denominada alfa y que se define por medio de la siguiente ecuación:
ð cd = IC / IE
donde IC e IE son los niveles de corriente al punto de operación. Aun cuando las características de la figura 3.8 parecen sugerir que ð = 1, para dispositivos prácticos el nivel de alfa se extiende típicamente de 0.90 a 0.998, aproximándose la mayor parte al extremo superior del intervalo. Ya que alfa se define únicamente por los portadores mayoritarios, la ecuación (3.2) se convierte enIC = ð IE + ICBO
Para las características de la figura 3.8 cuando IE = 0 mA, IC es por tanto igual a ICBO, pero como se mencionó con anterioridad el nivel de ICBO es por 1o general tan pequeño que es virtualmente indetectable en la gráfica de la figura 3.8. En otras palabras, cuando IE = 0 mA en la figura 3.8, IC aparece también con 0 mA para el intervalo de valores de VCB.Para las situaciones de ca en donde el punto de operación se mueve sobre la curva de características, un alfa de ca se define por
Polarización
La polarización adecuada de la base común puede determinarse rápidamente empleando la aproximación IC ð IE y suponiendo por el momento que IB ð 0 uA. El resultado es la configuración de la figura 3.11 para el transistor pnp. La flecha del símbolo define la dirección del flujo convencional para IC ð IE. Las alimentaciones de cd se insertan entonces con una polaridad que sostendrá la dirección de la comente resultante. En el transistor npn las polaridades estarán invertidas.
Figura 3.11
ACCION AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR
Ahora que se ha establecido la relación entre IC e IE, la acción básica de amplificación del transistor se puede introducir en un nivel superficial utilizando la red de la figura 3.12. La polarización de cd no aparece en la figura puesto que nuestro interés se limitará a la respuesta de ca. Para la configuración de base común, la resistencia de entrada de ca determinada por las características de la figura 3.7 es bastante pequeña y varía típicamente de 10 a 100 ohms. La resistencia de salida determinada por las curvas de la figura 3.8 es bastante alta (cuanto más horizontal esté la curva mayor será la resistencia) y varía normalmente de 50 kohms a 1 Mohms, La diferencia en resistencia se debe a la unión polarizada directamente en la entrada (base a emisor) y la unión polarizada inversamente en la salida (base a colector). Usando un valor común de 20 ohms para la resistencia de entrada, encontramos que
IL = Ii = 10 mA
VL = ILR
= (10 mA)(5 kohms)
= 50 V
Figura 3.12
La acción básica de amplificación se produjo transfiriendo una corriente I de un circuito de baja resistencia a uno de alta. La combinación de los dos términos en cursivas produce el nombre de transistor, es decir,
transferencia + resistor —> transistor
2.3 Configuración de emisor común.
La configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se muestra en la figura 3.13 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). De nuevo 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 3.14.
Figura 3.13
Figura 3.14
En la configuración de emisor común las características de la salida serán una gráfica de la corriente de salida (IC) versus el voltaje de salida (VCE) para un rango de valores de la corriente de entrada (IB). Las características de la entrada son una gráfica de la comente de entrada (IB) versus el voltaje de entrada (VBE ) para un rango de valores del voltaje de salida (VCE).
Obsérvese que en las características de la figura 3.14 la magnitud de IB es del orden de microamperes comparada con los miliamperes de IC. Nótese también que las curvas de IB no son tan horizontales como las que se obtuvieron para IE en la configuración de base común, lo que indica que el voltaje de colector a emisor afectará la magnitud de la corriente de colector.
La región activa en la configuración de emisor común es aquella parte del cuadrante superior derecho que tiene la linealidad mayor, esto es, la región en la que las curvas correspondientes a IB son casi líneas rectas y se encuentran igualmente espaciadas. En la figura 3.14 a esta región se localiza a la derecha de la línea sombreada vertical en VCEsat por encima de la curva para IB igual a cero. La región a la izquierda de VCEsat se denomina región de saturación. En la región activa de un amplificador emisor común la unión colector-base está polarizada inversamente, en tanto que la unión base-emisor está polarizada directamente.
Se recordará que éstas fueron las mismas condiciones que existieron en la región activa de la configuración de base común. La región activa de la configuración de emisor común puede emplearse en la amplificación de voltaje, corriente o potencia.
La región de corte en la configuración de emisor común no está tan bien definida como en la configuración de base común. Nótese, en las características de colector de la figura 3.14 que IC no es igual a cero cuando IB = 0. En la configuración de base común, cuando la corriente de entrada IE = 0, la corriente de colector fue sólo igual a la corriente de saturación inversa ICO, por lo que la curva IE = 0 y el eje de voltaje fueron (para todos los propósitos prácticos) uno.
La razón de esta diferencia en las características del colector puede obtenerse mediante la manipulación adecuada de las ecuaciones (3.3) y (3.6). Es decir,
Ecuación (3.6): IC = ð IE + ICBO
La sustitución da Ecuación (3.3): IC = ð ( IC + IB) + ICBOReordenando obtenemos:
tal como 0.996, la corriente de colector resultante es la siguiente:
Si icbo fuera de 1 uA, la corriente de colector resultante con IB = 0 A sena 250 (1 pA) = 0.25
mA, como se refleja en las características de la figura 3.14.
Para referencia futura, a la corriente de colector definida por la condición IB = 0 uA se le asignará
la notación indicada por la ecuación (3.9):
Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión) el corte para la configuración de emisor común se determinará mediante IC = ICEO
En otras palabras, la región por debajo de IB = 0 uA deberá evitarse si se requiere una señal de salida sin distorsión.
Cuando se emplea como interruptor en la circuitería lógica de una computadora, un transistor tendrá dos puntos de operación de interés: uno en el corte y el otro en la región de saturación. La condición de corte, en el caso ideal, sería IC = O mA para el voltaje VCE elegido. Puesto que ICEO es por lo general de pequeña magnitud para los materiales de silicio, el corte existirá para propósitos de conmutación cuando IB = O uA o IC = ICEO únicamente en el caso de transistores de silicio. En los transistores de germanio, sin embargo, el corte para propósitos de conmutación se definirá como aquellas condiciones que existen cuando IC = ICBO. Esta condición puede obtenerse normalmente en los transistores de germanio polarizando inversamente la unión de base emisor, polarizada por lo regular en forma directa a unos cuantos décimos de volt.
Recuérdese para la configuración de base común que el conjunto de características de entrada se aproximó por una línea recta equivalente que resultó en VBE = 0.7 V para cualquier nivel de IE mayor de O mA. Para la configuración de emisor común puede tomarse la misma aproximación, resultando en el equivalente aproximado de la figura 3.16. El resultado apoya nuestra anterior conclusión de que para un transistor en la región "activa" o de conducción el voltaje de base a emisor es 0.7 V. En este caso el voltaje se ajusta para cualquier nivel de la corriente de base.
Beta(ð )
En el modo de cd los niveles de IC e IB se relacionan por una cantidad denominada beta y definida por la siguiente ecuación:
ð cd = IC / IB
El nombre formal para ð ca es factor de amplificación de corriente directa de emisor común. Puesto que la corriente de colector es por lo general la corriente de salida para una configuración de emisor común y la corriente de base es la corriente de entrada, el término amplificación se incluye en la nomenclatura anterior. Aunque no son exactamente iguales, los niveles de ð ca, y de ð cd están por lo general razonablemente cercanos y con frecuencia se utilizan en forma intercambiable.
Se puede desarrollar una relación entre ð y ð empleando las relaciones básicas presentadas con anterioridad. Utilizando ð = IC /IB obtenemos IB = IC / ð , y de ð = IC/IE tenemos que IE = IC / ð Sustituyendo en
IE = IC + IB
IC / ð = IC + (IC / ð )
y dividiendo ambos lados de la ecuación por IC resultará enIC / ð = 1 + (1 / ð )
de modo que 
ICEO = (ð + 1) ICBO
ICEO ð ð ICBO
como se indica en la figura 3.14a. La beta es un parámetro particularmente importante porque proporciona un enlace directo entre niveles de corriente de los circuí Los de entrada y salida para una configuración de emisor común. Es decir, IC ð ð IB
Y puesto queIE = IC + IB
= ð IB + IB
IE = (ð + 1) IB
2.4 Configuración de colector común.La tercera y última configuración de transistores la de colector común, mostrada en la figura 3.20 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.
Figura 3.20 Notación y símbolos en la configuración de colector común.
La configuración del circuito de colector común se muestra en la figura 3.21 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 3.21. Pueden diseñarse empleando las características de emisor común de la sección 3.6. Para todos 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 IE versus VEC para un intervalo de valores de IB. 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 la escala vertical de IC de las características de emisor común si IC se reemplaza por IE en las características de colector común (puesto que ð = 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.
Figura 3.21 Configuración de colector común empleada para propósitos de acoplamiento de impedancia
Para cada transistor existe una región de operación sobre las características, la cual asegurara que los valores nominales máximos no sean excedidos y la señal de salida exhibe una distorsión mínima. Una región de este tipo, se ha definido para las características de transistor de la figura 3.22. Todos los límites de operación se definen sobre una típica hoja de especificaciones de transistor descrita en la sección 2.6.
Algunos de los límites se explican por sí mismos, como la corriente máxima de colector (denominada, por lo general, en la hoja de especificaciones, como corriente continua de colector) y el voltaje máximo de colector a emisor (abreviada a menudo como vCeo.) Para el transistor de la figura 3.22, ICmáx se especificó como de 50 mA y vCeo como de 20 V. La linea vertical de las características definida como vCEsat especifica la mínima vCE que puede aplicarse sin caer en la región no lineal denominada región de saturación.
Figura 3.22
El nivel de VCEsat está regularmente en la vecindad de los 0.3 V especificada para este transistor. El máximo nivel de disipación se define por la siguiente ecuación:
PCmáx = VCEIC
PCmáx = VCEIC = 300 mW
En cualquier punto sobre las características el producto de VCE e IC debe ser igual a 300 mW. Si elegimos para IC el valor máximo de 50 mA y lo sustituimos en la relación anterior, obtenemos
VCEIC = 300 mW
VCE(50 mA) = 300 mW
VCE = 6 V
Como un resultado encontramos que si IC = 50 mA, entonces VCE = 6 V sobre la curva de disipación de potencia, como se indica en la figura 3.22. Si ahora elegimos para VCE su valor máximo de 20 V, el nivel de IC es el siguiente:
(20 V)IC = 300 mW
IC = 15 mA
definiendo un segundo punto sobre la curvatura de potencia. Si ahora escogemos un nivel de IC a la mitad del intervalo como 25 mA, resolvemos para el nivel resultante de VCE obtenemos
VCE(25 mA) = 300 mW
VCE = 12 V
ICEO ð IC ð Icmáx
VCEsat ð VCE ð VCEmáx
VCEIC ð PCmáx
Para las características de base común la curva de potencia máxima se define por el siguiente producto de cantidades de salida;
PCmax = VCBIC
Ricardo a monroy b
C.I 17646658
EES
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