El Transistor

Funcionamiento

Al igual que otros componentes, el transistor está compuesto de materiales semiconductores. Un material semiconductor es un material que se comporta algunas veces como conductor y otras veces como aislante, dependiendo de ciertas condiciones como la temperatura, por ejemplo. Estos materiales son el silicio, y el germanio, entre otros. A estos materiales semiconductores puros se les conoce como "semiconductores intrínsecos". La estructura atómica de estos materiales está en un equilibrio muy estable y se comportan como aislantes. Sin embargo, si aumentamos la temperatura, puede ocurrir que se desprendan algunos electrones, dando lugar a que nuevos electrones ocupen dicho lugar. Es decir, que logre conducir electricidad. Cuando el material pierde un electrón se dice que deja un "hueco de electrón" o simplemente "hueco". Esto significa que el material queda con carga positiva. 

Por otro lado, se puede controlar dicha conductividad mediante un proceso de "dopaje". Esto significa agregar otros materiales para alterar su estructura atómica de tal manera que tenga huecos de electrones, o también que tenga electrones libres.

Al material semiconductor dopado se le conoce como "semiconductor extrínseco" y puede ser de tipo positivo (con huecos) o del tipo negativo (con electrones libres), es decir del tipo P ó N.

  El componente más simple hecho de material semiconductor es un diodo. El diodo está compuesto de una juntura de un material N y un material P llamados cátodo y ánodo respectivamente. 

Fig. 1: Representación del diodo, que consiste de la unión del material P que es el ánodo (A) y el material N que es el cátodo (K).

Si intentamos hacer pasar una corriente a través del diodo, polarizado en directa, como en la figura 2, observaremos dos detalles que son importantes al momento de hacer cualquier diseño con cualquier dispositivo de unión PN. Primero, que para que la corriente circule la tensión debe estar por encima de 0.7V aproximadamente en el caso de los semiconductores de silicio y aproximadamente 0.3 para los semiconductores de germanio. Y en segundo lugar, existe también una resistencia llamada r' que es una pequeña resistencia que no tiene valor fijo y es propia de la unión PN que para efectos prácticos podemos ignorar por ahora por ser de muy bajo valor, pero más adelante veremos como influye en el comportamiento del transistor.

Fig. 2: Diodo en polarización directa, tensión negativa en el cátodo y tensión positiva en el ánodo.

Si intentamos hacer pasar una corriente en sentido contrario, notaremos que prácticamente no circula ninguna corriente. En realidad circula una corriente muy pequeña, en el orden de los nano amperes, por lo que prácticamente es despreciable.

Ahora veamos un transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) NPN:

Fig. 2: Símbolo del transistor

En la fig. 2 podemos ver que el transistor consta de tres conexiones: Base, Emisor y Colector. También podemos ver que el emisor está representado con una flecha. Esta flecha hace notar que se trata de un diodo. En realidad, existen dos diodos. Uno formado por la unión base-emisor, y otro formado por la base-colector. Veamos un poco más de cerca como interactúan estas tres conexiones internamente.

Fig. 3: Circuito equivalente a un transistor NPN.

En la fig. 3 podemos ver el diodo base-emisor y el diodo base-colector. Aquí ya podemos entender por qué se le llama transistor NPN. El emisor está compuesto de un material N, la base de material P y el colector de material N. Cuando hablamos de la relación entre base y colector nos referimos al "diodo base-colector" y cuando hablamos de la relación entre base y emisor, nos referimos al "diodo base-emisor". 

Para observar como es que funciona el transistor, vamos a ver como se comporta la electricidad a través de este dispositivo mediante un circuito.

Fig. 4: Polarización de un transistor.

En la figura 4 podemos ver un transistor polarizado con 5V en la base, 12V en el colector y, además, el emisor está conectado a la fuente de base y a la fuente de colector. Este va a ser nuestro ejemplo para entender el funcionamiento del transistor. A la fuente de base de 5V se le llama voltaje de base y por eso en algunos textos académicos lo veremos como 5VBB. A la fuente de 12V conectada al colector se le llama VCC por estar conectada al colector (12VCC en este caso). En el emisor va conectado el voltaje negativo, y se le llama VEE, también por estar conectado al emisor. De ahí que se le llame algunas veces al voltaje positivo como VCC y al negativo VEE. 

Este tipo de configuración es la más común y se le llama configuración "emisor común", evidentemente por estar conectada la fuente de base y la fuente de colector por medio del emisor.

La tensión de base, al ser mayor a 0.7V comenzará a circular. Aquí ocurre que los electrones fluyen desde el emisor hacia la base ya que este diodo está polarizado en directa. La base (de material P) es una zona físicamente pequeña, y por eso, algunos electrones atraviesan la base (de material P) y alcanzan el colector. Justamente de ahí sus nombres, porque el "emisor" deja pasar electrones hacia el "colector" a través de la base. El colector a ser un material N, ya tiene electrones libres y por lo tanto estos electrones son atraídos por la fuente VCC.

Debido a que la gran mayoría de electrones se van del emisor al colector y no a la base (por ser una región pequeña), la corriente del colector es significativamente mayor a la corriente de base. Sin embargo, la corriente en el emisor lleva la corriente de base más la corriente del colector. Entonces decimos que Ie = Ib + Ic. La corriente del emisor es la suma de la corriente del colector más la corriente de base. 

De aquí podemos también intuir que existe una relación entre la corriente de base y la corriente del colector. A esta relación se le conoce como ganancia del transistor (β), que es la relación entre la corriente de base y la corriente de colector:  (β = Ic/Ib) ó de la misma manera que (Ic = β*Ib).

Esta es una explicación bastante simple, pero podemos entender ya gran parte de su funcionamiento. Por supuesto, un circuito así no es factible porque al no haber nada que limite las corrientes de la fuente de base y la fuente de colector, el transistor se dañaría. Existe un límite para la corriente de base y también para la corriente de colector. Para hacerlo más real, veamos el circuito en la figura 5:

Fig. 5: Circuito del polarizado del transistor NPN.

En la figura 5 Podemos apreciar el mismo circuito, esta vez, con resistencias delimitadoras de corriente. De lo visto anteriormente podemos observar que al tener 5V en la base por medio de la resistencia de 1k, estamos polarizando el diodo base-emisor en directa. El diodo base-emisor tiene una caída de tensión de aproximadamente 0.7V, por lo que en la resistencia tenemos (5V-0.7V =) 4.3V y de esto podemos deducir que la corriente es de 4.3/1000 = 0.0043 Amperes, es decir 4.3mA. Esta corriente es la que multiplicaremos por la ganancia del transistor (β) para obtener la corriente que circulará por el diodo-colector. Si el transistor tiene una β de 100, entonces la corriente que circula por el colector sería de 4.3mA * 100 = 430mA. 

En este punto, ya podemos tener una idea general de como se comporta el transistor y ya no es necesario mostrar el transistor como dos diodos. Otro detalle importante es que, si bien es cierto se representa como dos diodos, esto en realidad no es así porque los cátodos deberían estar unidos en un mismo ánodo, que es la base.