Transistores bipolares: dispositivo, principio de funcionamiento, circuitos de conmutación.

La palabra "transistor" está formada por las palabras TRANSFER y RESISTENCIA - convertidor de resistencia. Reemplazó las lámparas a principios de la década de 1950. Este es un dispositivo de tres conductores utilizado para amplificación y conmutación en circuitos electrónicos. El adjetivo "bipolar" (transistor de unión bipolar) se utiliza para distinguirlo de los transistores de efecto de campo (FET). El principio de funcionamiento de un transistor bipolar es utilizar dos uniones p-n, formando una capa de barrera, que permite que una pequeña corriente controle bOmás actual. El transistor bipolar se utiliza como resistencia controlada y como interruptor. Hay dos tipos de transistores: pnp y npn.

Transición P-N

El germanio (Ge) y el silicio (Si) son semiconductores. Ahora se utiliza principalmente silicio. Las valencias de Si y Ge son cuatro. Por lo tanto, si agregamos arsénico pentavalente (As) a la red cristalina del silicio, obtendremos un electrón “extra”, y si agregamos boro trivalente (B), obtendremos un lugar libre para un electrón. En el primer caso, se habla de un material "donante" que da electrones, en el segundo caso, de un material "aceptor" que acepta 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, entonces surgirá una corriente entre ellos y una dinámica equilibrio con la región de agotamiento, donde la concentración de portadores de carga - electrones y vacantes ("huecos") - pequeña. Esta capa es conductora unilateral y forma la base de un dispositivo llamado diodo. El contacto directo de los materiales no creará una transición de alta calidad; es necesaria la fusión (difusión) o "taponamiento" en el cristal de iones dopantes en el vacío.

Transistor PNP

Por primera vez, se fabricó un transistor bipolar fusionando gotas de indio en un cristal de germanio (material de tipo n). El indio (In) es un material de tipo p de metal trivalente. Por lo tanto, dicho transistor se denominó difuso (fusión) y tenía una estructura p-n-p (o pnp). El transistor bipolar de la figura siguiente se fabricó en 1965. Su cuerpo está cortado para mayor claridad.

El cristal de germanio del centro se llama base, y las gotas de indio fusionadas en él se denominan emisor y colector. Puede considerar las transiciones EB (emisor) y KB (colector) como diodos ordinarios, pero la transición FE (colector-emisor) tiene una propiedad especial. Por lo tanto, no es posible hacer un transistor bipolar a partir de dos diodos separados.

Si se aplica un voltaje de varios voltios en un transistor pnp entre el colector (-) y el emisor (+), fluirá una corriente muy débil, unos pocos μA, en el circuito. Si luego aplica un pequeño voltaje (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 base. Pero como la base se hace muy delgada, rápidamente se saturará de agujeros (“perderá” su exceso de electrones, que irán al emisor). Dado que el emisor está fuertemente dopado con conducción de huecos, y en una base ligeramente dopada, la recombinación de electrones se retrasa ligeramente, entonces significativamente bOLa mayor parte de la corriente irá del emisor al colector. El colector se hace más grande que el emisor y está ligeramente dopado, lo que le permite tener bOmayor voltaje de ruptura (U_{muestras. CE} > U_{muestras. EB}). Además, dado que la parte principal de los orificios se recombina en el colector, se calienta más que el resto de electrodos del dispositivo.

Existe una relación entre las corrientes del colector y del emisor:

Por lo general, α se encuentra en el rango de 0,85 a 0,999 y depende inversamente del grosor de la base. Este valor se denomina coeficiente de transferencia de corriente del emisor. En la práctica, el recíproco se usa con más frecuencia (también denotado como h_21e):

Esta es la relación de transferencia de corriente base, uno de los parámetros más importantes de un transistor bipolar. A menudo determina las propiedades amplificadoras en la práctica.

Un transistor pnp se llama transistor de conducción directa. Pero también hay otro tipo de transistor, cuya estructura complementa perfectamente a pnp en los circuitos.

Transistor NPN

El transistor bipolar puede tener un colector emisor de material de tipo N. Luego, la base está hecha de material tipo P. Y en este caso, el transistor npn funciona exactamente como el transistor pnp, excepto por la polaridad: es un transistor de conducción inversa.

Los transistores basados ​​en silicio abruman a todos los demás tipos de transistores bipolares. El material donante para el colector y el emisor puede ser As, que tiene un electrón "extra". La tecnología de fabricación de 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 con gran aumento). Tanto los transistores pnp como npn, incluidos los potentes, se fabrican con tecnología planar. El rafting ya ha sido descontinuado.

Transistor bipolar plano seccional en la siguiente imagen (diagrama simplificado).

La imagen muestra lo bien que está el diseño del transistor plano: el sustrato de cristal enfría efectivamente el colector. También se fabricó un transistor pnp plano.

Los símbolos gráficos del transistor bipolar se muestran en la siguiente imagen.

Estos UGO son internacionales y también son válidos de acuerdo con GOST 2.730-73.

Circuitos de conmutación de transistores

Por lo general, siempre se usa un transistor bipolar en conexión directa; la polaridad inversa en la unión FE no da nada interesante. Para un diagrama 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 funcionamiento en sí mismo: si asumimos que el punto de funcionamiento se establece de alguna manera, con la ayuda de una fuente de alimentación 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 el germanio, ~ 0,3 V es suficiente.

Emisor común

El voltaje U1 causa la corriente Ib, la corriente de colector Ic es igual a la corriente de base multiplicada por β. En este caso, el voltaje + E debe ser lo suficientemente grande: 5V-15V. Este circuito amplifica bien la corriente y el voltaje, por lo tanto, la potencia. La señal de salida es opuesta en fase a la señal de entrada (invertida). Se utiliza en tecnología digital como función NOT.

Si el transistor no funciona en el modo clave, sino como un amplificador de pequeñas señales (modo activo o lineal), al seleccionar la corriente de base, se establece el voltaje U₂ igual a E / 2 para que la señal de salida no se distorsione. Esta aplicación se utiliza, por ejemplo, al amplificar señales de audio en amplificadores de gama alta, con baja distorsión y, como resultado, baja eficiencia.

Colector 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. (Es hora de recordar que un transistor se llama transformador de resistencia).

El seguidor de emisor tiene propiedades y características de rendimiento muy adecuadas para sondas de osciloscopio. Utiliza su enorme impedancia de entrada y baja impedancia de salida, lo que es bueno para combinar con un cable de baja impedancia.

Base común

Este circuito tiene la impedancia de entrada más baja, pero su ganancia de corriente es α. Un circuito de base común amplifica bien en voltaje, pero no en potencia. Su característica es la eliminación del efecto de retroalimentación de capacitancia (ef. Molinero). Las etapas OB son ideales como etapas de entrada de amplificadores en rutas de RF emparejadas a impedancias bajas de 50 y 75 ohmios.

Las cascadas con base común son muy utilizadas en la tecnología de microondas y su aplicación en radioelectrónica con cascada de seguidor de emisor es muy común.

Dos modos principales de funcionamiento

Distinga entre los modos de operación usando señal "pequeña" y "grande". En el primer caso, un transistor bipolar opera en una pequeña parte de sus características, y esto se usa en tecnología analógica. En tales casos, la amplificación lineal de señales y el bajo nivel de ruido son importantes. Este es un modo lineal.

En el segundo caso (modo clave), el transistor bipolar opera en el rango completo, desde la saturación hasta el corte, como una tecla. Esto significa que si observa la característica I-V de la unión p-n, debe aplicar un pequeño reverso entre la base y el emisor para bloquear completamente el transistor voltaje, y para la apertura completa, cuando el transistor entra en modo de saturación, aumente ligeramente la corriente de base, en comparación con la pequeña señal modo. 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 breve tiempo de conmutación de transistores.

La lógica digital se caracteriza por una posición intermedia entre señales "grandes" y "pequeñas". Un nivel lógico bajo está limitado al 10% de la tensión de alimentación y un nivel lógico alto está limitado al 90%. Los retrasos y las conmutaciones tienden a reducirse al límite. Este modo de funcionamiento es clave, pero aquí se busca minimizar la potencia. Cualquier elemento lógico es clave.

Otros tipos de transistores

Los principales tipos de transistores ya descritos no limitan su diseño. Se producen transistores compuestos (circuito Darlington). Su β es muy grande y es igual al producto de los coeficientes de ambos transistores, por lo que también se denominan transistores “superbeta”.

La ingeniería eléctrica ya ha dominado el transistor bipolar de puerta aislada (IGBT), con una puerta aislada. De hecho, la puerta del transistor de efecto de campo está aislada de su canal. Es cierto que existe la posibilidad de recargar su capacitancia de entrada durante la conmutación, por lo que no puede prescindir de la corriente.

Dichos transistores se utilizan en potentes interruptores de potencia: convertidores de pulsos, inversores, etc. En la entrada, los IGBT son muy sensibles, debido a la alta resistencia de las puertas de los transistores de efecto de campo. Al salir, permiten recibir grandes corrientes y pueden fabricarse para alto voltaje. Por ejemplo, en los Estados Unidos hay una nueva planta de energía solar, donde dichos transistores en un circuito puente se cargan en poderosos transformadores que dan energía a la red industrial.

En conclusión, observamos que los transistores, en términos 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 prácticamente solo de transistores. Los fundamentos físicos del funcionamiento de los transistores se comprenden bien y prometen muchos más avances nuevos.

Materiales relacionados:

• ¿Qué es un puente de diodos? Una explicación simple
• ¿Qué es una resistencia y para qué sirve en un circuito eléctrico?
• Para que sirve un probador de transistores y para que mide