Transistor Bipolar de Juntura

Definición.

El Transistor Bipolar de Juntura, abreviado como TBJ, es un dispositivo electrónico semiconductor, construido a partir de 3 regiones dopadas y 2 junturas PN. Este dispositivo consta de 3 terminales: Emisor (E), Base (B) y Colector (C). La característica principal de este dispositivo es que tiene la propiedad de controlar una corriente en la puerta de salida mediante una corriente en la puerta de entrada.

Los TBJ poseen dos zonas semiconductoras, que pueden ser de tipo P ó N, y entre ambas una zona muy delgada que puede ser del tipo P ó N respectivamente.

Éste conjunto formará dos uniones PN: entre el emisor y la base, y una  entre la base y el colector. Si las dos zonas exteriores son del tipo N y la interior tipo P, el transistor será del tipo NPN. Si las dos zonas exteriores son del tipo P y la interior es del tipo N, el transistor será del tipo PNP.

Figura 1: Transistor tipo NPN

Figura 2:Transistor tipo PNP

El estudio y análisis de los transistores se realiza mediante el empleo de las "curvas características" del mismo, con las cuales se puede caracterizar completamente el comportamiento o funcionamiento eléctrico del transistor, siendo ésta expresada en relaciones gráficas de las corrientes I_B, I_C e I_E, en función de las tensiones externas y para las distintas configuraciones: Emisor Común (EC), Base Común (BC) y Colector Común (CC).

Figura 3: Configuraciones del Transistor Bipolar de Juntura

Modelo de EBERS-MOLL para el Transistor Bipolar de Juntura.

El modelo de EBERS-MOLL está basado en el hecho de que un transistor TBJ se compone de dos uniones PN, la unión base-emisor y la unión base-colector. Por lo tanto se pueden expresar las corrientes del transistor como la superposición de las corrientes en la dos uniones PN. En la figura se muestra la notación utilizada en este apartado.

Figura 4: Notaciones empleadas en el modelo.

Considerando el modelo ideal para los diodos BE y BC se tiene que:

donde I_CS e I_ES son las corrientes inversas de saturación de ambos diodos.

Sin embargo, el comportamiento del transistor es más complejo que el de dos diodos conectados en serie. Se debe tener en cuenta el efecto transistor debido a que como las uniones se encuentran muy juntas entre sí se produce una interacción entre ellas. En la figura siguiente se muestra el modelo de EBERS-MOLL para un transistor NPN. Este se compone de dos diodos de unión PN y dos fuentes de corriente dependientes.

Figura 5: Modelo de EBERS-MOLL para el transistor bipolar NPN.

El efecto transistor viene caracterizado por las fuentes de corriente dependientes. Parte de la corriente I_DBE, que circula por la unión base-emisor es atrapada por la unión base-colector. Este hecho se modela mediante la fuente de corriente α_FI_DBE. Debido a que la estructura de un transistor no es simétrica, sino que está optimizada para obtener valores altos de α_F, α_R es generalmente pequeña (desde 0.02 a 0.5).

Además, aplicando las leyes de la física de semiconductores se obtiene la condición de reciprocidad, que se concreta en la siguiente expresión:

α_FI_ES = α_RI_CS = I_S

I_S toma valores entre 10^-14 y 10^-15 amperes para transistores  de baja potencia.

Si se aplica la ley de nodos en el emisor, el colector y la base tenemos lo siguiente:

Emisor:    I_E = I_DBE - αI_DBC

Colector:    I_C = - I_DBC + α_FI_DBE

Base:    I_B = (1 - α_F)I_DBE + (1 - α_R)I_DBC

Se puede sustituir en esta ecuación las corrientes de los diodos I_DBE e I_DBC. Además, si se definen las constantes ß_F y ß_R de manera que:

las ecuaciones anteriores resultan:

Las anteriores son las ecuaciones de las intensidades en los tres terminales del transistor NPN según el modelo de EBERS-MOLL. Estas ecuaciones son válidas para cualquier región de funcionamiento. Aún siendo un modelo complejo de transistor, el modelo de EBERS-MOLL no describe todos los efectos que tienen lugar en el dispositivo, por ejemplo los llamados efectos de segundo orden como la tensión de ruptura.

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