¿Por qué un BJT actúa como amplificador en la región lineal?

Si solo va a encender/apagar una gran corriente con una pequeña corriente de control (en la base), entonces quiere que el transistor entre en saturación.

Pero si desea que siga la corriente del colector, por ejemplo, una señal oscilante en la base, entonces desea que el transistor permanezca en la región lineal.

Considere las curvas características de un transistor NPN de pequeña señal típico:

Con referencia al gráfico de la derecha, podemos ver que la ganancia de corriente CC hFE es casi constante con la corriente del colector siempre que Vce se mantenga constante en 1V. Comienza a caer a medida que se acerca a Ic de 100 mA y (no se muestra) también caerá con una corriente de colector muy baja.

Si ahora observa el gráfico de la izquierda, la intersección de Vce = 1,0 V corresponde a un punto en el gráfico de la derecha para cada una de las corrientes base de 0,1 mA a 1,0 mA. A medida que aumenta la corriente del colector, la ganancia es menor, por lo que el espacio entre las corrientes de base espaciadas uniformemente se vuelve menor. Ahora, imagine que el transistor está entrando en saturación, por lo que Vce es menos de 1V, acercándose a cero. Por ejemplo, con una corriente base de 1 mA y 0,1 V Vce, puede ver que la corriente del colector es de solo unos 25 mA, lo que significa que la ganancia de corriente se ha reducido a 25 desde más de 200. Con una corriente base de 0,1 V y 0,1 mA, la ganancia es más como 50, todavía muy lejos de los 300 a 1V Vce.

A medida que Vce se aproxima a cero, la corriente de ganancia cae a cero. Esto tiene sentido porque el transistor necesita algo de voltaje para funcionar. En algún punto muy cercano a cero, incluso se volverá ligeramente negativo a medida que el aumento de la corriente base hace que la corriente fluya fuera del colector.

La otra cosa que puede encontrar interesante es que con una corriente de base baja, las curvas son bastante planas: la ganancia no cambia mucho con Vce siempre que vea "suficiente".

Tenga en cuenta que la "región de saturación" para un BJT es la región donde Vce < Vce_sat. En esta región de operación, Ic no solo está determinada por Ib y Vbe sino también por Vce. Si determinara un modelo de señal pequeña del BJT en la región de saturación, encontraría un componente adicional que "come" parte de la corriente del colector, lo que resulta en menos gm (lo que llama ganancia).

La región lineal es donde Vce > Vce_sat. En esta región de operación Ic está determinada principalmente por Ib y Vbe pero no tanto por Vce (solo a través del efecto Early). Esto da como resultado una impedancia de salida más alta (en el colector) si se compara con la región saturada, lo que resulta en gm más utilizables.

Aunque una señal puede ser amplificada por un BJT en cualquier región, la región lineal es más conveniente de usar ya que se elimina (en primer orden) la dependencia de Vce.

La transconductancia (pequeña señal) gm = dIc/dVbe de un BJT depende principalmente de Ic, pero como beta = Ic/Ib (¡suponiendo que estemos en la región lineal!), se podría decir que gm (no lo llamaría ganancia como gm tiene unidad [A/V]) depende de Ib. Pero es más conveniente decir que gm depende de Ic ya que gm = Ic/Vt.