El Transistor: Fundamentos y Aplicaciones en Electrónica

El transistor es un dispositivo electrónico en estado sólido, cuyo principio de funcionamiento se basa en la física de los semiconductores. Este componente cumple funciones esenciales como amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término “transistor” es la contracción en inglés de transfer resistor (“resistencia de transferencia”).

Polarización del Transistor

Una polarización correcta es fundamental para el funcionamiento de este componente. Es importante destacar que la polarización difiere entre transistores NPN y PNP. Generalmente, la unión base-emisor se polariza directamente y la unión base-colector inversamente.

Zonas de Operación del Transistor

El transistor puede operar en diferentes zonas, cada una con características y aplicaciones específicas:

Zona de Corte

En esta zona, no circula corriente por la Base, por lo que la corriente de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es igual a la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor, se comporta como un interruptor abierto. En esta zona, se cumple que: I_B = I_C = I_E = 0 y V_CE = V_bat.

Zona de Saturación

Cuando por la Base circula una corriente, se observa un incremento considerable de la corriente de Colector. En este caso, el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, la tensión de la batería se aplica a la carga conectada en el Colector.

Zona Activa

En la zona activa, el transistor actúa como amplificador, permitiendo el paso de más o menos corriente de manera controlada. Cuando trabaja en las zonas de corte y saturación, se dice que opera en conmutación, comportándose como un interruptor. La ganancia de corriente es un parámetro crucial para los transistores, ya que relaciona la variación de la corriente de Colector con una variación de la corriente de Base. Los fabricantes suelen especificarla en sus hojas de características, también conocida como h_FE.

Tipos de Transistores: Bipolares (BJT)

Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes diferentes e interconectados. Por lo tanto, se pueden tener transistores PNP o NPN.

Tecnológicamente, los transistores BJT (Transistor de Unión Bipolar) se desarrollaron antes que los FET (Transistor de Efecto de Campo). El transistor de unión bipolar (BJT, por sus siglas en inglés) se fabrica sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, materiales que poseen propiedades semiconductoras, un estado intermedio entre conductores (como los metales) y aislantes (como el diamante).

Sobre el sustrato de cristal, se dopan de forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo (NPN o PNP), formando así dos uniones NP. La zona N se dopa con elementos donantes de electrones (cargas negativas), y la zona P con aceptadores o “huecos” (cargas positivas).

Configuraciones Básicas del Transistor BJT

Existen tres configuraciones fundamentales para el transistor bipolar, cada una con características de ganancia e impedancia distintas:

Emisor Común

La señal de entrada se aplica a la Base del transistor y la señal de salida se extrae por el Colector. El Emisor se conecta a la masa (referencia común) tanto de la señal de entrada como de la de salida. En esta configuración, se obtiene ganancia de tensión y ganancia de corriente, además de una alta impedancia de entrada. Dado que la Base está conectada al Emisor por un diodo en polarización directa, se puede suponer una tensión constante entre ellos, V_BE (o Vg). También se asume que β (beta, ganancia de corriente) es constante. Entonces, la tensión de Emisor es: V_E = V_B − V_BE.

Base Común

La señal de entrada se aplica al Emisor del transistor y la señal de salida se extrae por el Colector. La Base se conecta a la masa tanto de la señal de entrada como de la de salida. En esta configuración, se obtiene ganancia solo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente es ligeramente menor que uno, debido a que una parte de la corriente de Emisor fluye por la Base.

Colector Común

La señal de entrada se aplica a la Base del transistor y la señal de salida se extrae por el Emisor. El Colector se conecta a la masa tanto de la señal de entrada como de la de salida. En esta configuración, se obtiene ganancia de corriente, pero la ganancia de tensión es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por 1/β.