El Transistor NPN – estructura y aplicaciones

El transistor NPN es un dispositivo electrónico que esta compuesto por tres regiones semi-conductoras inter-conectadas N-P-N.  Este elemento tiene por lo tanto tres pines de conexión. El transistor es bipolar. Las uniones PN o NP están compuestas por materiales semi-conductor.

Un material semi-conductor puede funcionar como conductor y como aislante de acuerdo a la polarización eléctrica que se conecte.El transistor NPN tiene dos funciones básicas, ser un interruptor electrónico o un amplificador. Este tipo de transistor también se puede clasificar como BJT.c

El transitor NPN esta compuesto por tres capas de materiales semi-conductores, este arreglo es como un pastel de tres capas, Capa N-P-N. Estos materiales son cristales  de silicio que se encuentran dopados de forma distinta.

Cuando un cristal de material semi-conductor, (Silicio ó Germanio), se » dopa » con Boro, produce un cristal semiconductor con sólo 3 electrones disponibles de 4, por lo tanto se genera un » hueco » eléctrico. En cambio, cuando el cristal es dopado con impurezas como arsénico, ( el arsénico tiene 5 electrones en su última capa ), el cristal se queda con un electrón de más. En resumen:

  • El material o capa N – tiene un electrón de más.
  • El material o capa P – le falta un electrón ( hueco ).

Estructura interna

El transitor NPN tiene tres pines de conexión llamados, Colector (C), Base (B) y Emisor (E). Estas tres conexiones están directamente sobre cada una de las capas semiconductoras N, P y N respectivamente. La figura-1, muestra la estructura interna del transistor. Una unión NP se le conoce también como diodo.

Transistor NPN

Figura-1. Estructura de un transistor NPN.

Material N

Las capas N  están formadas por cristales de un material semiconductor. Por ejemplo el Silicio, la capa N esta formada por cristales de silicio con impurezas. Estas impurezas pueden ser:

  • Arsénico
  • Fósforo
  • Antimonio

La Figura-2 muestra una estructura cristalina formada por silicio con impurezas de Arsénico y sus electrones libres.

 

Material N, estructura interna

Figura-2. Estructura cristalina del material N con una estructura de Silicio e impurezas de Arsénico.

Material P

El material P esta formado por cristales de Silicio o cualquier otro material semi-conductor como el Germanio e impurezas como el boro. El boro al tener sólo tres electrones en su última capa provoca un hueco al unirse a un cristal de silicio. La Figura-3 muestra una estructura cristalina de material P.

Material P, estructura interna del cristal

Figura-3.  Diagrama de la estructura cristalina del material P, Silicio dopado con impurezas como el boro. Este material presenta » huecos «, es decir que cuando hay un electrón libre intentará ocupar el espacio para completar el enlace covalente.

 

Símbolo de un transistor NPN

El símbolo de un transistor NPN incluye a los tres pines antes mencionados, el Colector, Base y Emisor. Este sería el diagrama más usado para este tipo de transistor. Algunos transistores más comunes NPN de pequeña señal son: 2N2222 y 2N3904. SI se requiere de mayor potencia, se puede usar un TIP21C. En las hojas de datos se encuentra especificada la ubicación de cada uno de estos tres pines.

Símbolo de un transistor NPN

Figura-4. Símbolo de un transistor NPN.

 

Aplicaciones del transistor NPN

Un transistor NPN, que también se llama BJT, puede ser usado para dos cosas. El transistor puede funcionar como un interruptor controlado electrónicamente o como un amplificador con ganancia variable. El transistor es también la base para el desarrollo de sistemas digitales como compuertas lógicas. Las compuertas lógicas son la base de los sistemas embebidos. Entonces podemos plantear que el transistor es la base de la tecnología digital actual. Regresando a las aplicaciones comunes, la más usada es el uso del transistor NPN como interruptor electrónico, para este funcionamiento, el transistor debe de operar en las zonas llamadas corte y saturación.

Transistor NPN como amplificador

Existen dos tipos de transistores, los bipolares que se controlan mediante una entrada de corriente y los de efecto de campo que son activados mediante una entrada de voltaje. Para un amplificador electrónico se utiliza una pequeña corriente en la base del transistor para controlar una corriente mayor entre el colector y el emisor.

Para este tipo de transistores bipolares, la amplificación es entonces respecto de la corriente. La corriente del colector es proporcional a la corriente en la base multiplicada por la «beta» del transistor. Entonces este es el factor de ganancia en un transistor npn.

Ic = hFE*Ib

Ic = Corriente de colector

hFE = Beta del transistor

Ib = Corriente en la base

Este factor de ganancia depende de la corriente del colector y puede llegar a variar, es por eso que no es recomendable el uso de transistores como amplificadores electrónicos y se recomienda mejor el uso de amplificadores operacionales. Por ejemplo, en el transistor 2N2222A, el cual es un transistor NPN bipolar, su Hfe puede valer desde 35 hasta 300 dependiendo de la corriente del colector y del voltaje colector-emisor. (VCE).

Para determinar la corriente en el emisor Ie, se puede usar la siguiente ecuación.

Ie = Ib + Ic = (1/hFE+1)*Ic

Resumen

Un transitor NPN es principalmente un interruptor digital que también puede funcionar como amplificador. Esta formado por cristales de silicio que tienen impurezas. Cuando estas impurezas son Boro, se le conoce como material P. Cuando las impurezas son por ejemplo, Arsénico, se le conoce como material N. Estos dos cristales poseen electrones de más y carecen de electrones lo que permite hacer fluir una corriente bajo ciertas condiciones eléctricas.

Fuentes:  http://www.pitt.edu/~qiw4/Academic/ME2082/Transistor%20Basics.pdf

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