¿Qué es un transistor bipolar y cuál es su característica?
La palabra "transistor" se compone de las palabras TRANSFERENCIA y RESISTENCIA - convertidor de resistencia. Reemplazó las lámparas a principios de la década de 1950. Este es un dispositivo de tres clavijas utilizado para amplificación y conmutación en circuitos electrónicos. El adjetivo "bipolar" (transistor de unión bipolar) sirve para distinguir de los transistores de efecto de campo (FET). El principio de funcionamiento de un transistor bipolar es utilizar dos uniones p-n que forman una capa de barrera, lo que permite controlar una pequeña corriente.acerca deCon la corriente más alta. El transistor bipolar se usa tanto como resistencia controlada como como llave. Los transistores son de dos tipos: pnp y npn.
Unión PN
El germanio (Ge) y el silicio (Si) son semiconductores. Ahora se usa principalmente silicio. La valencia de Si y Ge es cuatro. Por lo tanto, si agregamos arsénico pentavalente a la red cristalina de silicio (As), obtenemos un electrón "extra", y si agregamos boro trivalente (B), obtenemos un lugar vacante para un electrón. En el primer caso, hablan de un material "donante" que da electrones, en el segundo caso hablan de un material "receptor" que recibe electrones. Además, el primer tipo de material se llama N (negativo) y el segundo - P (positivo).
Si se ponen en contacto materiales de los tipos P y N, surgirá una corriente entre ellos y se establecerá un equilibrio dinámico con una región de agotamiento, donde la concentración de portadores de carga (electrones y sitios vacantes) es pequeña. Esta capa tiene conductividad unilateral y sirve como base para un dispositivo llamado diodo. El contacto directo de los materiales no creará una transición cualitativa; es necesario alear (difundir) u "obstruir" los iones dopantes en un cristal en el vacío.
Transistor PNP
Por primera vez, se hizo un transistor bipolar fundiendo gotas de indio en un cristal de germanio (material de tipo n). El indio (In) es un metal trivalente, material tipo p. Por lo tanto, dicho transistor se denominó difuso (aleado) con una estructura p-n-p (o pnp). El transistor bipolar en la figura a continuación fue fabricado en 1965. Su cuerpo está cortado para mayor claridad.
El cristal de germanio en el centro se llama base, y las gotas de indio fundidas se llaman emisor y colector. Es posible considerar las transiciones EB (emisor) y KB (colector) como diodos ordinarios, pero la transición CE (colector-emisor) tiene una propiedad especial. Por lo tanto, es imposible fabricar un transistor bipolar a partir de dos diodos separados.
Si se aplica un voltaje de varios voltios entre el colector (-) y el emisor (+) en un transistor de tipo pnp, fluirá una corriente muy débil, unos pocos μA, en el circuito. Si luego se aplica un voltaje pequeño (de apertura) entre la base (-) y el emisor (+) - para germanio es de aproximadamente 0.3 V (y para silicio 0.6 V) - entonces una corriente de cierta magnitud fluirá desde el emisor a la base.Pero dado que la base se hace muy delgada, se saturará rápidamente con agujeros (“pierde” su exceso de electrones que irán al emisor). Dado que el emisor está fuertemente dopado con conducción de agujeros, y la recombinación de electrones en la base débilmente dopada se retrasa un poco, entoncesacerca deLa mayor parte de la corriente fluirá del emisor al colector. El colector se hace más grande que el emisor y está ligeramente dopado, lo que le permite teneracerca demenor voltaje de ruptura (UMuestra CE> UEB de muestra) Además, dado que la mayor parte de los agujeros se recombinan en el colector, se calienta más fuertemente que los otros electrodos del dispositivo.
Entre el colector y la corriente del emisor hay una relación:
Típicamente, α se encuentra en el rango de 0.85-0.999 e inversamente depende del grosor de la base. Este valor se llama coeficiente de transferencia de corriente del emisor. En la práctica, el recíproco se usa a menudo (también denotado por h21e):
Este es el coeficiente de transferencia de corriente base, uno de los parámetros más importantes de un transistor bipolar. Con mayor frecuencia determina las propiedades de mejora en la práctica.
El transistor PNP se llama transistor conductor directo. Pero hay otro tipo de transistor, cuya estructura complementa perfectamente pnp en circuitos.
Transistor NPN
El transistor bipolar puede tener un colector con un emisor de material de tipo N. Entonces la base está hecha de material tipo P. Y en este caso, el transistor npn funciona exactamente como pnp, con la excepción de la polaridad: es un transistor de conductividad inversa.
Los transistores basados en silicio suprimen con sus números todos los demás tipos de transistores bipolares. Como material donante para el colector y emisor puede servir como As, teniendo un electrón "extra". La tecnología para fabricar transistores también ha cambiado. Ahora son planos, lo que permite utilizar la litografía y hacer circuitos integrados. La siguiente imagen muestra un transistor bipolar plano (como parte de un circuito integrado a gran aumento). Según la tecnología planar, se fabrican transistores pnp y npn, incluidos los potentes. La aleación ya está descontinuada.
El transistor bipolar plano en el contexto de la siguiente imagen (diagrama simplificado).
La imagen muestra qué tan bien está organizado el diseño del transistor plano: el sustrato de cristal enfría efectivamente el colector. También se fabrica un transistor pnp plano.
Las designaciones gráficas convencionales de un transistor bipolar se muestran en la siguiente imagen.
Estas UGO son internacionales y también válidas de acuerdo con GOST 2.730-73.
Circuitos de conmutación de transistores
Por lo general, un transistor bipolar siempre se usa en conexión directa: la polaridad inversa en la unión FE no da nada interesante. Para un esquema de conexión directa, hay tres esquemas de conexión: un emisor común (OE), un colector común (OK) y una base común (OB). Las tres inclusiones se muestran a continuación. Explican solo el principio de operación en sí mismo, suponiendo que el punto de operación esté instalado de alguna manera usando una fuente de energía adicional o un circuito auxiliar. Para abrir un transistor de silicio (Si), es necesario tener un potencial de ~ 0.6 V entre el emisor y la base, y para un germanio es suficiente ~ 0.3 V.
Emisor común
El voltaje U1 causa una corriente Ib, la corriente del colector Ik es igual a la corriente base multiplicada por β. En este caso, el voltaje + E debe ser lo suficientemente grande: 5 V-15 V. Este circuito amplifica bien la corriente y el voltaje, y por lo tanto, la potencia. La señal de salida es opuesta en fase a la entrada (invertida). Esto se usa en tecnología digital en función de NOT.
Si el transistor no funciona en el modo clave, sino como un amplificador de señales pequeñas (modo activo o lineal), entonces, usando la selección de la corriente base, se establece el voltaje U2 igual a E / 2 para que la señal de salida no se distorsione. Dicha aplicación se usa, por ejemplo, para amplificar señales de audio en amplificadores de alta gama con baja distorsión y, como resultado, baja eficiencia.
Coleccionista común
En términos de voltaje, el circuito OK no se amplifica, aquí la ganancia es α ~ 1.Por lo tanto, este circuito se llama seguidor de emisor. La corriente en el circuito emisor es β + 1 veces mayor que en el circuito base. Este circuito amplifica bien la corriente y tiene una salida baja y una impedancia de entrada muy alta. (Este es el momento de recordar que el transistor se llama transformador de resistencia).
El seguidor del emisor tiene propiedades y parámetros operativos que son muy adecuados para las sondas de osciloscopio. Utiliza su gran impedancia de entrada y baja salida, lo cual es bueno para combinar con un cable de baja impedancia.
Base común
Este circuito se caracteriza por la resistencia de entrada más baja, pero su ganancia de corriente es igual a α. Un circuito base común se amplifica bien en voltaje, pero no en potencia. Su característica es la eliminación de la influencia de la retroalimentación en la capacitancia (ef. Miller). Las etapas OB son ideales como etapas de entrada de amplificadores en rutas de radiofrecuencia combinadas a bajas resistencias de 50 y 75 ohmios.
Las cascadas con una base común son muy utilizadas en la tecnología de microondas y su uso en electrónica de radio con una cascada de seguidores de emisores es muy común.
Dos modos de funcionamiento principales.
Distinga entre modos de operación utilizando la señal "pequeña" y "grande". En el primer caso, el transistor bipolar opera en un área pequeña de sus características y esto se usa en tecnología analógica. En tales casos, la linealidad de la amplificación de la señal y el bajo ruido son importantes. Este es un modo lineal.
En el segundo caso (modo clave), el transistor bipolar funciona en el rango completo, desde la saturación hasta el corte, como una tecla. Esto significa que si observa las características I - V de la unión pn, debe aplicar un pequeño voltaje inverso entre la base y el emisor para bloquear completamente el transistor, y para abrir completamente cuando el transistor entra en modo de saturación, aumente ligeramente la corriente de base, en comparación con el modo de señal baja. Entonces el transistor funciona como un interruptor de pulso. Este modo se utiliza en dispositivos de conmutación y alimentación, se utiliza para conmutar fuentes de alimentación. En tales casos, intentan lograr un tiempo de conmutación corto de los transistores.
La lógica digital se caracteriza por una posición intermedia entre las señales "grande" y "pequeña". Un nivel lógico bajo está limitado en un 10% de la tensión de alimentación, y un nivel alto en un 90%. Los retrasos y cambios de tiempo buscan reducir al límite. Este modo de operación es clave, pero buscan minimizar la potencia aquí. Cualquier elemento lógico es una clave.
Otros tipos de transistores
Los principales tipos de transistores ya descritos no limitan su disposición. Se producen transistores compuestos (circuito de Darlington). Su β es muy grande e igual al producto de los coeficientes de ambos transistores, por lo tanto también se les llama transistores "superbet".
La ingeniería eléctrica ya ha dominado los IGBT (transistores bipolares de compuerta aislada), con una compuerta aislada. La puerta del transistor de efecto de campo está aislada de su canal. Es cierto que hay una cuestión de recargar su capacitancia de entrada durante la conmutación, por lo que, sin corriente, no puede hacerlo aquí.
Dichos transistores se utilizan en potentes interruptores de potencia: convertidores de pulso, inversores, etc. Los IGBT de entrada son muy sensibles debido a la alta resistencia de la puerta de los transistores de efecto de campo. A la salida, dan la oportunidad de recibir grandes corrientes y pueden fabricarse para alta tensión. Por ejemplo, en los EE. UU. Hay una nueva estación de energía solar, donde dichos transistores en un circuito puente se cargan con potentes transformadores que transfieren energía a una red industrial.
En conclusión, observamos que los transistores, en palabras simples, son el "caballo de batalla" de toda la electrónica moderna. Se utilizan en todas partes: desde locomotoras eléctricas hasta teléfonos móviles. Cualquier computadora moderna consta de casi todos los transistores. Los fundamentos físicos de la operación de los transistores son bien entendidos y prometen muchos más logros nuevos.
Materiales relacionados: