Transistor de Unión Bipolar (BJT): Qué es, Tipos y Funcionamiento

El término «transistor» fue acuñado en 1951 en los Laboratorios Bell por el Dr. Shockley y sus colaboradores. El transistor es un componente esencial ampliamente utilizado en los sistemas electrónicos modernos.

Los transistores suelen ser de dos tipos. Son los transistores de efecto de campo (FET) y los transistores de unión bipolar (BJT). La amplificación de señales, o el uso de amplificadores, es un uso común de un BJT (transistor de unión bipolar), que es un dispositivo semiconductor de tres terminales compuesto por combinaciones de semiconductores de tipo p y de tipo n.

Como sabemos este dispositivo semiconductor consiste en la unión p-n y se utiliza o es capaz de amplificar o magnificar la señal. A través de esto fluye la corriente y básicamente contiene silicio, también se llaman transistores incorporados con resistor de polarización y su objetivo principal es que, a medida que fluye una pequeña corriente entre la base y el emisor, puede controlar un gran flujo de corriente entre las regiones de los terminales del colector y el emisor.

En este artículo, vamos a aprender más sobre el transistor de unión bipolar, ¿Cómo funciona un transistor bjt exactamente? ¿Y cómo utilizar un transistor para construir circuitos interesantes?

Tabla de Contenidos

¿Qué es un Transistor de Unión Bipolar (BJT)?

Un transistor bipolar, también conocido como transistor de unión bipolar o BJT, es un dispositivo semiconductor discreto muy versátil. Los semiconductores discretos varían desde diodos y rectificadores hasta BJT, y este dispositivo en particular está diseñado principalmente para realizar una función como un solo semiconductor, a diferencia de tener que construir múltiples componentes semiconductores en un circuito integrado en una placa de circuito impreso (PCB).

Los transistores de unión bipolar son componentes de estado sólido de tres polos (base, colector y emisor), construidos a partir de tres capas de silicio. Existen dos tipos principales: PNP (positivo-negativo-positivo) y NPN (negativo-positivo-negativo). Como ocurre con todos los transistores, la función básica de un BJT suele ser funcionar como interruptor o amplificar, filtrar y rectificar la potencia.

Los transistores bipolares son dispositivos controlados y accionados por corriente, lo que significa que una corriente de base mucho menor hace que fluya una corriente mayor del emisor al colector. Mientras que los transformadores pueden amplificar la corriente o la tensión, los transistores pueden amplificar ambas. En su configuración de emisor más común, un BJT amplifica la corriente de forma natural, pero cuando se integra en un circuito, se puede hacer fácilmente que amplifique la tensión de salida. Por lo tanto, los transistores bipolares se utilizan con frecuencia como método de amplificación de señales en un amplio espectro de circuitos, sistemas y tipos de productos.

Los BJT fueron uno de los primeros dispositivos transistores funcionales que se crearon. Los primeros transistores bipolares fueron el resultado del trabajo emprendedor de los renombrados físicos e ingenieros de la posguerra Bardeen, Brattain y Shockley. Surgidos inicialmente en los Laboratorios Bell a finales de los años 40, los BJT se convirtieron rápidamente en un estándar universal en las décadas siguientes. El trío de inventores recibió en 1956 el Premio Nobel por sus esfuerzos para llevar los transistores de unión bipolar a la producción en serie.

Los transistores de unión bipolar pueden aumentar tanto señales analógicas como digitales, además de tener la capacidad de conmutar la corriente continua o funcionar como oscilador. Aunque los BJT están diseñados principalmente para amplificar la corriente (analógica), también pueden funcionar como conmutadores electrónicos (digitales) en circuitos.

Símbolo del transistor de unión bipolar

Empecemos por el símbolo de los transistores de unión bipolar para poder identificarlos en un circuito. El siguiente diagrama muestra los símbolos de los dos tipos de transistores.

El de la izquierda es el símbolo del transistor PNP y el de la derecha el del transistor NPN. Como he dicho, podrás ver los tres terminales Emisor, Colector y Base para ambos tipos de transistores.

Construcción de un transistor BJT

Combinaciones de uniones p-n, o construir un BJT, es decir, un BJT está hecho de semiconductores de tipo p y n. Las dos uniones dividen los tres semiconductores de un BJT que son: la base, el colector y el emisor. El emisor y el colector del transistor están situados a cada lado de la base.

Emisor (E) – La capa más externa de un transistor, comúnmente conocida como emisor, está fuertemente dopada con material semiconductor de tipo N o de tipo P. El material de tipo P se emplea a menudo para producir el emisor de un transistor PNP, mientras que el material de tipo N se utiliza sobre todo para crear el emisor de un transistor NPN.
Base (B) – La capa intermedia se denomina base, forma una zona estrecha entre el emisor y el colector y está ligeramente dopada. Está formada por un material diferente al del emisor. La base de un transistor NPN es de tipo P, mientras que la de un transistor PNP es de tipo N.
Colector (C) – La capa interior se denomina colector y tiene un nivel de dopaje modesto. El tipo de semiconductor utilizado en el diseño es el mismo que el del emisor. El colector de un transistor NPN está formado por material de tipo N, mientras que el colector de un transistor PNP está hecho de material de tipo P.

construccion de un transistor de union bipolar

En el BJT se forman dos uniones. Son las siguientes:

Unión emisor-base: La unión Emisor-Base de un BJT se refiere a la unión que se forma entre el emisor y la base. Durante el funcionamiento normal, esta unión está en polarización directa.
Unión colector-base: Se denomina unión colector-base a la unión que se forma entre el colector y la base. Durante el funcionamiento normal, esta unión tiene polarización inversa.

Tipos de Transistores BJT

Existen dos tipos de transistores BJT:

Transistor bipolar NPN – En un transistor bipolar NPN, el semiconductor de tipo p se intercala entre los dos semiconductores de tipo n. Los dos semiconductores de tipo n actúan como emisor y colector respectivamente, mientras que el semiconductor de tipo p actúa como base. Los dos semiconductores de tipo n actúan como emisor y colector respectivamente, mientras que el semiconductor de tipo p actúa como base. Esto se muestra en la siguiente figura.

La corriente que entra en el emisor, la base y el colector tiene signo positivo, mientras que la corriente que sale del transistor tiene signo negativo.
Transistor bipolar PNP – En un transistor bipolar PNP, el semiconductor de tipo n se encuentra intercalado entre dos semiconductores de tipo p. Los dos semiconductores de tipo p actúan como emisor y colector respectivamente, mientras que el semiconductor de tipo n actúa como base. Esto se muestra en la siguiente figura.

La corriente entra en el transistor a través del emisor, de forma que la unión emisor-base está en polarización directa y la unión colector-base está en polarización inversa.

Funcionamiento de un Transistor BJT

El funcionamiento de un transistor BJT comienza desde el pin Base. Cuando se aplica una tensión al pin Base en el transistor NPN, se pone en ON el transistor y como resultado, la corriente comienza a fluir desde el terminal Colector al Emisor.

Esta corriente se conoce como corriente colector y se denota por I_c. Como se trata de un transistor NPN, aquí la unión Colector-Base tiene polarización inversa y la unión Base-Emisor tiene polarización directa.

La anchura de la región de agotamiento en la unión Colector-Base es mayor, en comparación con la anchura de la región de agotamiento de la unión Base-Emisor.

El potencial de barrera disminuye en la unión B-E que está en polarización directa, y como resultado, los electrones se moverán del Emisor a la región Base. La región Base está ligeramente dopada y es muy fina, por lo que se esfuerza por mantener el número de electrones durante el máximo tiempo posible.

Estos electrones se combinarán con los huecos presentes en la región de la Base y comenzarán a fluir fuera de la región Base en forma de corriente base.

Un gran número de electrones sobrantes en la región de la base que no se combinan con los huecos, comienzan a entrar en el lado del colector, en forma de corriente colector.

Según la ley de corriente de Kirchoff, la corriente emisor es la combinación de la corriente colector y la corriente base.

I_E = I_B + I_C

Este es el funcionamiento de los transistores NPN. Los transistores PNP funcionan de la misma manera, pero aquí la dirección de la corriente y las polaridades de la tensión se invierten.

Características del Transistor BJT

Los transistores bipolares tienen varias características que los hacen muy eficaces. Entre las características de los transistores BJT se incluyen:

Pueden tomar una corriente de entrada baja y utilizarla para emitir una mucho mayor.
Mientras que los interruptores mecánicos siempre necesitan un actuador que se mueva físicamente para funcionar, los estados binarios de encendido y apagado de un interruptor transistorizado se controlan mediante tensión en la configuración de la base.
A diferencia de los interruptores mecánicos, pueden controlarse mediante una señal PWM (modulación por ancho de pulsos).
A diferencia de las versiones mecánicas, los interruptores de transistores no sufren ningún rebote físico.

Características de conmutación de los transistores bipolares

Controlar el flujo de energía de una parte a otra de un circuito electrónico es una de las funciones clave de los transistores. En este caso, el transistor actúa como un conmutador electrónico y no como un amplificador. Cuando se pasa a los modos de saturación o corte, un BJT reproduce básicamente la función binaria de encendido/apagado de un interruptor de circuito normal. Por tanto, puede utilizarse para crear puertas lógicas.

Este diagrama muestra el flujo de electrones a través de un circuito simple.

(a) Interruptor mecánico

(b) Interruptor de transistor N-P-N

Funciones del transistor bipolar

Las funciones más conocidas del transistor bipolar son:

Amplificación: Los transistores de unión bipolar son cruciales para amplificar señales eléctricas en dispositivos como los amplificadores de audio, ya que amplifican las señales regulando un mayor flujo de corriente entre el colector y el emisor a partir de una menor corriente de entrada en la base.
Conmutación: Los BJT funcionan como interruptores electrónicos que regulan el flujo de corriente entre el emisor y el colector. Elemento clave de las puertas lógicas y los circuitos digitales, el BJT funciona como interruptor aplicando una señal a su base, permitiendo o limitando el flujo de corriente.
Modulación de señales: Los BJT se emplean en circuitos de modulación para cambiar las propiedades de las señales portadoras. Estos transistores son componentes esenciales de los sistemas de comunicación de transmisión de información porque pueden cambiar las características de la señal, como la amplitud, la frecuencia o la fase, alterando la corriente base.

Ventajas del BJT

Algunas de las ventajas de los BJT son:

La ganancia de tensión es alta.
Incluye la máxima densidad de corriente.
Proporciona un buen rendimiento a alta frecuencia.
Tiene un gran ancho de banda de ganancia.
Funcionamiento a alta frecuencia.
La caída de tensión directa es baja
Funciona en aplicaciones de baja o alta potencia

Desventajas del BJT

Algunas desventajas de BJT incluyen :

Menor frecuencia de conmutación.
Mayor producción de ruido.
La estabilidad térmica es menor.
El tiempo necesario para la conmutación no es rápido en comparación con una alta frecuencia de parpadeo de tensión y corriente.

Aplicaciones del Transistor BJT

Algunas de las aplicaciones más conocidas del BJT son:

Un BJT se utiliza como amplificador.
BJT también puede funcionar como un interruptor.
Puede utilizarse como oscilador.
El BJT se utiliza a menudo en circuitos lógicos.
También se utiliza en circuitos de recorte .
El BJT se utiliza como demodulador y como detector.
Se utiliza en sensores de temperatura.

Conclusión

Es un componente clave para la amplificación, por lo que es un elemento esencial en el campo de la electrónica. Puede operar circuitos, mejorar señales, funciona como interruptor. El BJT tiene una estructura de tres capas: emisor, base y colector, lo que le permite funcionar en varias configuraciones. Su sencillez, sus conceptos detallados y su fiabilidad lo convierten en un componente importante de los circuitos electrónicos. Es la base de circuitos más complejos. Así que el objetivo principal es amplificar o conmutar la potencia y como puede operar en tres regiones que les permiten actuar como un amplificador o interruptor, que no necesita llevar ninguna fuente externa para el proceso de amplificación.