BJT: todo lo que tienes que saber sobre el transistor bipolar

En nuestra sección de componentes electrónicos hemos hablado ya bastante de diferentes tipos de transistores comerciales. Ahora toca profundizar en un transistor muy utilizado, se trata de la familia de transistores BJT, es decir, los transistores bipolares, tan presentes en multitud de aparatos electrónicos que usamos en el día a día.

Así podrás conocer más de cerca sobre estos transistores y las diferencias con los unipolares…

¿Qué es un semiconductor?

Los semiconductores son materiales que tienen una conductividad eléctrica entre la de los conductores y la de los aislantes. A diferencia de los metales (buenos conductores) y los no metales (aislantes o dieléctricos), los semiconductores ocupan una posición única que les permite ser manipulados para controlar el flujo de corriente eléctrica.

Su estructura cristalina, típicamente compuesta de elementos como silicio o germanio, es esencial para comprender su comportamiento. Los átomos de estos materiales forman una estructura cristalina en la que los electrones están compartidos entre átomos en bandas de energía. La banda de valencia contiene electrones que están fuertemente ligados a los átomos, mientras que la banda de conducción contiene electrones que pueden moverse libremente.

Los materiales semiconductores son fundamentales en la fabricación de dispositivos electrónicos avanzados. El silicio, siendo uno de los semiconductores más utilizados, es omnipresente en la industria y forma la base de chips y microprocesadores. Además del silicio, el germanio es otro material semiconductor común que ha sido empleado en tecnologías más antiguas. Compuestos semiconductores como el arseniuro de galio (GaAs) y el fosforeno también han ganado importancia, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia y optoelectrónicas. Estos materiales permiten la creación de dispositivos como diodos emisores de luz (LED), transistores de alta frecuencia y sensores avanzados, demostrando la versatilidad y vitalidad de los semiconductores en la vanguardia de la innovación tecnológica.

Portadores de carga y conducción electrónica

La capacidad de los semiconductores para conducir electricidad radica en su capacidad para generar portadores de carga. Los portadores de carga pueden ser electrones con carga negativa o «huecos» con carga positiva, que resultan de electrones que han sido desplazados de la banda de valencia a la banda de conducción.

Cuando se aplica un voltaje a un semiconductor, los electrones pueden moverse de la banda de valencia a la banda de conducción, creando corriente eléctrica. Este fenómeno se conoce como conducción electrónica y es fundamental para el funcionamiento de dispositivos electrónicos.

Dopantes (impurezas)

Para mejorar y controlar las propiedades eléctricas de los semiconductores, se introducen impurezas deliberadas en el cristal mediante un proceso llamado dopaje. Los átomos de dopante pueden ser de tipo donante (añadiendo electrones extra) o de tipo aceptador (creando huecos), es decir, los primeros serían los llamados semiconductores tipo N y los segundos los tipo P.

Los dopantes introducen niveles de energía adicionales en la banda prohibida, permitiendo un mayor control sobre la conducción electrónica. Algunos ejemplos comunes de dopantes son el fósforo (donante) y el boro (aceptador) para el silicio. De esta manera, se pueden crear zonas o uniones para crear dispositivos como un diodo, que es básicamente una sola unión PN o semiconductores, que suelen ser tres zonas como veremos más adelante.

Tipos de Semiconductores: Intrínsecos y Extrínsecos

Por otro lado, para comprender el BJT, también es importante conocer qué tipos de semiconductores existen, como son:

• Intrínsecos: cuando no se agregan impurezas a un semiconductor, se clasifica como intrínseco. En este caso, la conducción eléctrica se debe únicamente a la generación térmica de portadores de carga (pares electrón-hueco).
• Extrínsecos: son el resultado del dopaje intencional con impurezas. Los semiconductores de tipo n (negativo) se obtienen agregando dopantes donantes, mientras que los de tipo p (positivo) se forman con dopantes aceptadores. Estos procesos permiten ajustar las propiedades eléctricas de los semiconductores según las necesidades específicas de las aplicaciones.

Introducción a las uniones PN

La unión PN es un concepto esencial en la electrónica de semiconductores que sienta las bases para la creación de dispositivos como diodos y transistores. Una unión PN se forma cuando dos regiones de un material semiconductor se unen. Estas regiones son la región tipo P (donde la concentración de portadores de carga positiva o huecos es predominante) y la región tipo N (donde la concentración de portadores de carga negativa o electrones es predominante). La transición entre estas dos regiones crea una interfaz única con propiedades eléctricas especiales.

La formación de la unión PN suele ocurrir mediante un proceso llamado dopaje, donde se introducen impurezas deliberadas en el material semiconductor. En la región tipo P, se utilizan dopantes aceptadores (como el boro), mientras que en la región tipo N se utilizan dopantes donantes (como el fósforo), como he comentado anteriormente. Este proceso crea un gradiente de concentración de portadores de carga a lo largo de la unión, estableciendo así la barrera de potencial.

En cuanto al comportamiento de esta unión PN, tiene propiedades únicas cuando se polariza en diferentes direcciones:

• En polarización directa, se aplica un voltaje en la dirección que favorece el flujo de corriente a través de la unión. En este caso, los portadores de carga se mueven a través de la barrera de potencial, permitiendo la conducción eléctrica.
• Por el contrario, en polarización inversa, el voltaje aplicado trabaja en contra de la barrera de potencial, dificultando el flujo de corriente. En este estado, la unión PN actúa como un diodo, permitiendo la conducción en una dirección y bloqueándola en la dirección opuesta.

La unión PN es la base de muchos dispositivos electrónicos. Los diodos, por ejemplo, aprovechan la propiedad de la unión PN para permitir el flujo de corriente en una dirección y bloquearlo en la otra. Los transistores, fundamentales para la lógica digital y la amplificación de señales, también se construyen utilizando varias unión PN, como en el caso de los BJT que pueden tener uniones NPN o PNP…

¿Qué es un transistor BJT?

El transistor de unión bipolar (BJT o Bipolar Juntion Transistor) es un dispositivo electrónico de estado sólido compuesto por dos uniones PN muy cercanas, permitiendo el aumento de corriente, la disminución de voltaje y el control del flujo de corriente a través de sus terminales. La conducción en este tipo de transistor involucra portadores de carga de ambas polaridades (huecos positivos y electrones negativos). Los BJT son ampliamente utilizados en electrónica analógica y algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BiCMOS.

La historia de los transistores bipolares se remonta a 1947, cuando John Bardeen y Walter Houser Brattain inventaron el transistor bipolar de contacto de punto en la Bell Telephone Company. Posteriormente, William Shockley desarrolló el transistor bipolar de unión en 1948. Aunque fueron fundamentales durante décadas, su uso ha disminuido en favor de la tecnología CMOS en circuitos digitales integrados.

La estructura de un BJT consta de tres regiones:

• El emisor (altamente dopado y funcional como emisor de carga)
• La base (estrecha y separa el emisor del colector)
• El colector (de mayor extensión).

La deposición epitaxial es la técnica común de fabricación. En funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector está polarizada en inversa. El principio de funcionamiento implica la polarización directa de la unión base-emisor y la polarización inversa de la unión base-colector. Los electrones se inyectan desde el emisor hasta el colector, permitiendo la amplificación de señales. El BJT se caracteriza por su baja impedancia de entrada y puede ser modelado como una fuente de corriente controlada por voltaje o una fuente de corriente controlada por corriente.

Funcionamiento del transistor bipolar

En cuanto al funcionamiento, tenemos que en un transistor de unión bipolar (BJT) en configuración NPN, la unión base-emisor se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. La agitación térmica permite que los portadores de carga del emisor atraviesen la barrera de potencial emisor-base y lleguen al colector, impulsados por el campo eléctrico entre la base y el colector. En operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa, permitiendo que los electrones se inyecten en la región de la base y se desplacen hacia el colector. La región de la base debe ser delgada para minimizar la recombinación de portadores antes de llegar a la unión base-colector. La corriente colector-emisor puede ser controlada por la corriente base-emisor (control de corriente) o por la tensión base-emisor (control de voltaje). En un transistor PNP es al revés…

Diferencias con el transistor unipolar

Los transistores pueden clasificarse en dos categorías principales: bipolares y unipolares. Las diferencias clave que encontramos entre ambos son:

• BJT o bipolares: al igual que en los transistores unipolares, los transistores bipolares también cuentan con portadores de carga positivos y negativos, es decir, con regiones dopadas P y N en su estructura. En cuanto a la polarización, se pueden polarizar de forma directa o inversa, dependiendo de lo que se necesite, y pueden ser de tipo NPN o PNP. En cuanto a los modos de operación, tenemos que pueden funcionar en modo activo, modo corte y modo saturación. Están controlados por corriente, y tienen una ganancia de corriente representada por la letra β (beta). La pérdida de potencia en este caso es superior a la de los transistores unipolares y su velocidad generalmente es más lenta que los unipolares. Por ello, se suelen usar en amplificadores de señal analógica, y conmutación de baja frecuencia, entre otros. Los BJT son más susceptibles al ruido.
• FET o unipolares: los transistores unipolares o de efecto de campo, también usan portadores de carga, pero aquí tenemos electrones o huecos, dependiendo del tipo. La polarización principal aquí es la inversa, y los modos de operación en saturación principalmente. En este caso tenemos transistores controlados por voltaje. La ganancia de corriente está representada en este caso por la transconductancia, la pérdida de potencia es menor que en los bipolares, y son más rápidos. Por este motivo, se suelen usar para conmutación a alta frecuencia y para circuitos digitales. Los unipolares son menos susceptibles al ruido.

Tipo de BJT (NPN y PNP)

Como he comentado en varias partes del artículo, existen dos tipos principales de transistores BJT:

• Transistores NPN: forman parte de uno de los dos tipos fundamentales de transistores bipolares, donde las letras «N» y «P» indican los portadores de carga mayoritarios presentes en las diversas regiones del dispositivo. En la actualidad, la mayoría de los transistores bipolares son del tipo NPN, ya que la movilidad de los electrones es superior a la de los «huecos» en semiconductores, permitiendo así corrientes más elevadas y velocidades operativas superiores. La estructura de un transistor NPN comprende una capa de material semiconductor dopado P, denominada «base», situada entre dos capas de material dopado N. En la configuración emisor-común, una corriente pequeña que fluye hacia la base se amplifica en la salida del colector. El símbolo del transistor NPN incluye una flecha que señala la terminal del emisor y la dirección de la corriente convencional durante el funcionamiento activo del dispositivo.
• Transistores PNP: el segundo tipo de transistor bipolar, presentan letras «P» y «N» que hacen referencia a las cargas mayoritarias en distintas regiones del dispositivo. Aunque menos comunes en la actualidad, los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. En la operación típica, el colector se conecta a tierra, y el emisor se vincula al terminal positivo de la fuente de alimentación mediante una carga eléctrica externa. Una corriente pequeña que fluye hacia la base posibilita el paso de una corriente significativamente mayor desde el emisor hacia el colector. La flecha en el símbolo del transistor PNP se encuentra en la terminal del emisor y apunta en la dirección de la corriente convencional durante el funcionamiento activo del dispositivo. A pesar de su menor prevalencia, los transistores NPN son preferidos en la mayoría de las situaciones debido a su mejor rendimiento.

Puedes ver todos los detalles en las imágenes anteriores.

Aplicaciones de un BJT

Los transistores de unión bipolar (BJT) se utilizan en una variedad de aplicaciones en electrónica, ya he comentado algunos casos anteriormente, pero aquí te muestro una lista con algunas de las principales aplicaciones o usos de estos transistores:

• Amplificación de señal: los BJT se utilizan comúnmente para amplificar señales débiles, como las provenientes de sensores o micrófonos, en circuitos de audio y radiofrecuencia.
• Conmutación: se emplean para controlar la conmutación de corriente en circuitos digitales y lógicos, como interruptores electrónicos, para poder implementar puertas lógicas.
• Amplificadores de potencia: se utilizan en etapas de amplificación de potencia en sistemas de audio y amplificadores de RF (radiofrecuencia). De hecho, una de las primeras aplicaciones para los que se diseñaron estos transistores fue para esto, sustituyendo a los tubos de vacío anteriores.
• Fuentes de energía: se pueden configurar para generar corriente constante, lo que es útil en ciertos circuitos y aplicaciones de referencia de corriente. También los encontrarás en los sistemas o circuitos reguladores de voltaje para mantener un voltaje constante en la salida de la fuente de alimentación.
• Osciladores: se utilizan en circuitos osciladores para generar señales periódicas, como en generadores de ondas senoidales.
• Amplificación de RF: en sistemas de comunicación, los BJT se utilizan en etapas de amplificación de señales de radiofrecuencia.
• Modulación de amplitud y frecuencia: se emplean en circuitos de modulación para alterar las características de señales de audio o RF. También se pueden implementar en algunos sensores o detectores para tratar las señales.

Cómo comprobar un transistor BJT

Comprobar un transistor BJT es importante para garantizar su buen funcionamiento. Si quieres saber cómo se hace, tan solo necesitarás un multímetro o polímetro que cuenten con esta función para comprobar transistores bipolares. Y la forma de proceder es muy sencilla, tan solo tienes que seguir estos pasos:

• BJT NPN: primero tienes que identificar los terminales o pines Emisor (E), Base (B) y Colector (C) que incluye tu transistor. Dependiendo del modelo, puedes consultar los datasheets para más detalles, aunque es fácil de saber. Una vez tienes identificados los terminales y el multímetro a mano, lo siguiente es simplemente insertar los pines de forma correcta en las ranuras para este fin. En caso de que no tenga esta función tu multímetro, puedes usar esta otra alternativa:
  1. Pon el multímetro en modo de prueba de transistores, es decir, gira la rueda para seleccionar el símbolo para medir Voltaje continua (V —).
  2. Toca con las sondas del multímetro los pines deseados:
     • Cuando compruebas la unión BE o Base-Emisor, deberás ver en la pantalla una lectura de voltaje de entre 0.6 y 0.7v, dependiendo del transistor.
     • Cuando compruebas la unión BC o Base-Colector, tocas estos otros terminales y la lectura del voltaje debe ser similar a la anterior.
     • Para comprobar la ganancia de corriente (hFE), gira el selector de selección a la función hFE. Y al tocar con las sondas el emisor y la base, y emisor y colector para determinar la ganancia hFE, que será la relación entre ambas.
• BJT PNP: en este otro caso, la comprobación es similar, solo que de forma opuesta al de un NPN.

Si los resultados obtenidos son valores fuera de lo esperado, el transistor estará indicando que no funciona o está defectuoso y necesita un reemplazo.

Dónde comprar un BJT

Si quieres comprar transistores BJT baratos, lo puedes hacer en cualquier tienda de electrónica o plataforma online especializada. Un sitio donde encontrarás estos dispositivos BJT es en Amazon, y nosotros te aconsejamos estos:

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