HISTORIA

Durante el periodo de 1904 a 1947, el tubo al vacío o bulbo fue, sin duda, el dispositivo electrónico de mayor interés y desarrollo. El diodo de tubo al vacío fue presentado por J. A. Fleming en 1904. Poco tiempo después, en 1906, Lee De Forest le añadió un tercer elemento al diodo al vacío, denominado rejilla de control, con lo que se originó el primer amplificador; el triodo. En los años siguientes, la radio y la televisión proporcionaron un gran estímulo a la in- dustria de los bulbos. La producción creció, de cerca de un millón de bulbos en 1922 hasta aproximadamente 100 millones en 1937. A principios de los años treinta los tubos al vacío de cuatro y cinco elementos (tetrodo y pentodo, respectivamente) cobraron gran importancia en la industria de los bulbos. En los años siguientes, la industria se convirtió en una de las más importantes y se lograron rápidos avances en cuanto al diseño, a las técnicas de fabricación, a las aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia, y a la miniaturización.

Sin embargo, el 23 de diciembre de 1947, la industria de la electrónica experimentó la llegada de un campo completamente nuevo en el interés y en el desarrollo. En la tarde de ese día, Walter H. Brattain y John Bardeen demostraron la acción de amplificación del primer transistor en los laboratorios Bell Telephone. El transistor original (un transistor de punto de contacto), las ventajas de este dispositivo de estado sólido de tres terminales sobre el bulbo se manifestaron de inmediato: era más pequeño y ligero, no tenía requerimientos de calentamiento o disipación de calor, tenía una construcción resistente y era más eficiente debido a que el mismo dispositivo absorbía menor potencia. Tenía una disponibilidad de uso inmediata ya que no requería de un periodo de calentamiento. Además se conseguían menores voltajes de operación.

CONSTRUCCIÓN DEL TRANSISTOR

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de ya sea dos capas de material tipo n y una capa tipo p, o bien de dos capas de material tipo p y una tipo n. Al primero se le denomina transistor npn mientras que al segundo transistor pnp.

La capa del emisor se encuentra fuertemente dopada, la de la base ligeramente dopada y la del colector sólo muy poco dopada. Las capas exteriores tienen espesores mucho mayores que los del material tipo p o tipo n centrales. Para los transistores la proporción del espesor total con respecto al espesor de la capa central es de 0.150/0.001 = 150:1. El dopado de la capa central es también mucho menor que el dopado de las capas exteriores (casi siempre 10:1 o menos). Este bajo nivel de dopado disminuye la conductividad (incrementa la resistencia) de este material al limitar el número de portadores “libres”.

En la polarización se indican las terminales mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. Se apreciará mejor la elección de esta notación cuando se analice la operación básica del transistor. La abreviatura BJT, de Transistor Bipolar de Unión (del inglés Bipolar Junction Transistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que tanto huecos como electrones participan en el proceso de inyección hacia el material polarizado en forma opuesta. Si sólo se utiliza un portador (electrón o hueco), se considera entonces un dispositivo unipolar.

PUNTO DE OPERACIÓN

El término polarización es un término muy amplio que comprende todo lo relacionado con la aplicación de voltajes de dc para establecer un nivel fijo de corriente y voltaje. Para los amplificadores a transistor, la corriente de dc y el voltaje resultantes establecen un punto de operación sobre las características que define la región que será empleada para la amplificación de la señal aplicada. Debido a que el punto de operación es un punto fijo sobre las características, se le denomina también como punto de reposo (se abrevia como punto Q, del inglés: quiescent point). Por definición, reposo significa quieto, estático, inactivo. El circuito de polarización puede diseñarse para establecer la operación del dispositivo en cualquiera de estos puntos o en otros dentro de la región activa.

El dispositivo BJT puede encontrarse polarizado para operar fuera de estos límites máximos, sin embargo, el resultado de tal operación sería el recorte de la vida útil del dispositivo, o bien la destrucción del mismo. Limitándonos a la región activa, es posible seleccionar varias áreas o puntos de operación diferentes. Frecuentemente el punto Q seleccionado, dependerá del uso que se piense dar al circuito.

Si no se empleara la polarización, el dispositivo inicialmente se encontraría completamente apagado, dando por resultado un punto Q en A, es decir, corriente cero a través del dispositivo (y voltaje cero a través de él). Debido a que es necesario polarizar un dispositivo de manera que pueda responder ante el rango completo de señales de entrada, el punto A, por lo tanto, no es conveniente. Para el punto B, si una señal se aplica al circuito, el dispositivo variará en corriente y en voltaje a partir del punto de operación, con lo que permitirá al dispositivo reaccionar ante (y posiblemente amplificar) las excursiones, tanto positivas como negativas de la señal de entrada. Si la señal de entrada es seleccionada cuidadosamente, el voltaje y la corriente del dispositivo variarán pero no lo suficiente como para llevar al dispositivo al corte o a la saturación. El punto C permitirá cierta variación positiva y negativa de la señal de salida, sin embar- go, el valor pico a pico estará limitado por la proximidad de V

CE = 0 V e IC = 0 mA. Por otro lado,

la operación en el punto C provoca cierta preocupación debido a las no linearidades que se introducen por el hecho de que el espacio entre las curvas de IB cambia rápidamente en esta región. En general, es preferible operar donde la

ganancia del dispositivo es prácticamente constante (o lineal), para de esta forma, asegurar que la amplificación sobre la amplitud com- pleta de la señal de entrada sea la misma. El punto B es una región con un espaciado más lineal y por lo tanto, con una operación más lineal. El punto D establece el punto de operación del dispositivo cerca del voltaje y nivel de potencia máximos. La amplitud del voltaje de salida en la dirección positiva se encuentra de esta forma limitada si el voltaje máximo no debe excederse. Por lo tanto, el punto B parece ser el mejor punto de ope- ración en términos de ganancia lineal y de mayor excursión posible de corriente y de voltaje. Ésta es, generalmente, la condición deseada para los amplificadores de pequeña señal (capítu- lo 8), pero éste no es necesariamente el caso para los amplificadores de potencia, como los que serán considerados en el capítulo 15. En este análisis, nos concentraremos principalmente en polarizar el transistor para una operación de amplificación a pequeña señal.

Existe otro factor de polarización muy importante que debe ser considerado. Una vez que se seleccionó y se polarizó el BJT en un punto de operación, el efecto de la temperatura tam- bién se debe tomar en cuenta. La temperatura causa que los parámetros del dispositivo como la ganancia de corriente (bac) del transistor y la corriente de fuga

(ICEO) del mismo, se modifi- quen. Mayores temperaturas provocan un incremento en las corrientes de fuga del

dispositivo con lo que se modifica la condición de operación establecida por la red de polarización. La con- secuencia de esto es que el diseño de la red deberá proporcionar también un grado de estabili- dad en temperatura de manera que los cambios de temperatura provoquen las menores modi- ficaciones en el punto de operación. La conservación del punto de operación puede especificarse mediante un factor de estabilidad, S, el cual indica el grado de cambio en el pun- to de operación debido a una variación de temperatura. Es deseable un circuito altamente esta- ble por lo que la estabilidad de algunos circuitos básicos polarizados será comparada.

Para que un BJT pueda polarizarse en su región lineal o activa, deben cumplirse las siguien- tes condiciones:

1. La unión base-emisor debe estar en polarización directa (voltaje de la región p más posi- tivo), con un voltaje resultante en polarización directa entre 0.6 y 0.7 V.

2. La unión base-colector debe estar en polarización inversa (voltaje de la región n más po- sitivo), con el voltaje de polarización inversa dentro de los límites máximos del dispositivo.

[Observe que para la polarización directa, el voltaje a través de la unión p-n es p-positivo, mientras que para la polarización inversa es opuesto (inverso) con n-positivo. Este énfasis en la letra inicial deberá de servir como un medio para ayudar a memorizar la polaridad necesaria del voltaje].

La operación en las regiones de corte, de saturación y lineal de las características del BJT se proporcionan a continuación:

1. Operación en región lineal:Unión base-emisor en polarización directa Unión base-colector en polarización inversa

2. Operación en región de corte:Unión base-emisor en polarización inversa Unión base-colector en polarización inversa

3. Operación en región de saturación:Unión base-emisor en polarización directa Unión base-colector en polarización directa