Transistores bipolares: dispositivo, princípio de operação, circuitos de comutação

A palavra "transistor" é composta pelas palavras TRANSfer e resISTOR - conversor de resistência. Substituiu as lâmpadas no início dos anos 1950. Este é um dispositivo de três derivações usado para amplificação e comutação em circuitos eletrônicos. O adjetivo "bipolar" (transistor de junção bipolar) é usado para distingui-lo dos transistores de efeito de campo (FETs). O princípio de operação de um transistor bipolar é usar duas junções p-n, formando uma camada de barreira, que permite que uma pequena corrente controle bOmais atual. O transistor bipolar é usado tanto como resistência controlada quanto como interruptor. Existem dois tipos de transistores: pnp e npn.

Transição P-N

O germânio (Ge) e o silício (Si) são semicondutores. O silício agora é usado principalmente. As valências de Si e Ge são quatro. Portanto, se adicionarmos arsênio pentavalente (As) à rede cristalina do silício, obteremos um elétron “extra”, e se adicionarmos boro trivalente (B), obteremos um lugar vago para um elétron. No primeiro caso, fala-se de um material “doador” que dá elétrons, no segundo caso, de um material “aceitador” que aceita elétrons. Além disso, o primeiro tipo de material é denominado N (negativo) e o segundo - P (positivo).

Se os materiais dos tipos P e N forem colocados em contato, uma corrente surgirá entre eles e uma dinâmica equilíbrio com a região de depleção, onde a concentração de portadores de carga - elétrons e vazios ("buracos") - pequena. Essa camada é unilateralmente condutiva e forma a base de um dispositivo denominado diodo. O contato direto dos materiais não criará uma transição de alta qualidade; a fusão (difusão) ou “plugando” no cristal de íons dopantes no vácuo é necessária.

Transistor PNP

Pela primeira vez, um transistor bipolar foi feito pela fusão de gotas de índio em um cristal de germânio (material do tipo n). Índio (In) é um metal trivalente, material do tipo p. Portanto, esse transistor foi denominado difuso (fusão), tendo uma estrutura p-n-p (ou pnp). O transistor bipolar na figura abaixo foi fabricado em 1965. Seu corpo é cortado para maior clareza.

O cristal de germânio no centro é chamado de base, e as gotas de índio fundidas nele são chamadas de emissor e coletor. Você pode considerar as transições EB (emissor) e KB (coletor) como diodos comuns, mas a transição FE (coletor-emissor) tem uma propriedade especial. Portanto, não é possível fazer um transistor bipolar a partir de dois diodos separados.

Se uma tensão de vários volts é aplicada em um transistor pnp entre o coletor (-) e o emissor (+), uma corrente muito fraca, alguns µA, irá fluir no circuito. Se você aplicar uma pequena tensão (de abertura) entre a base (-) e o emissor (+) - para o germânio é cerca de 0,3 V (e para o silício 0,6 V) - então, uma corrente de uma certa magnitude irá fluir do emissor para base. Mas como a base é muito fina, ela rapidamente ficará saturada de buracos (“perderá” seu excesso de elétrons, que irão para o emissor). Uma vez que o emissor é fortemente dopado com condução de buraco, e em uma base levemente dopada, a recombinação de elétrons é ligeiramente atrasada, então significativamente bOA maior parte da corrente irá do emissor para o coletor. O coletor é maior do que o emissor e é levemente dopado, o que permite que tenha bOtensão de ruptura mais alta (U_{amostras. CE} > U_{amostras. EB}). Além disso, como a parte principal dos orifícios se recombina no coletor, ele aquece mais do que o restante dos eletrodos do dispositivo.

Existe uma relação entre as correntes do coletor e do emissor:

Normalmente α está na faixa de 0,85-0,999 e inversamente depende da espessura da base. Este valor é denominado coeficiente de transferência de corrente do emissor. Na prática, o recíproco é mais frequentemente usado (também denotado como h_21e):

Esta é a taxa de transferência de corrente de base, um dos parâmetros mais importantes de um transistor bipolar. Ele freqüentemente determina as propriedades amplificadoras na prática.

Um transistor pnp é chamado de transistor de condução direta. Mas há também outro tipo de transistor, cuja estrutura complementa perfeitamente o pnp nos circuitos.

Transistor NPN

O transistor bipolar pode ter um coletor emissor de material tipo N. Em seguida, a base é feita de material tipo P. E, neste caso, o transistor npn funciona exatamente como o transistor pnp, exceto pela polaridade - é um transistor de condução reversa.

Os transistores baseados em silício superam todos os outros tipos de transistores bipolares. O material doador para o coletor e emissor pode ser As, que possui um elétron “extra”. A tecnologia de fabricação de transistores também mudou. Agora são planos, o que possibilita o uso da litografia e a realização de circuitos integrados. A imagem abaixo mostra um transistor bipolar planar (como parte de um circuito integrado em alta ampliação). Ambos os transistores pnp e npn, incluindo os poderosos, são fabricados com tecnologia planar. O Rafting já foi descontinuado.

Um transistor bipolar plano recortado na imagem a seguir (diagrama simplificado).

A imagem mostra o quão bem é o projeto do transistor planar - o coletor é resfriado efetivamente pelo substrato de cristal. Um transistor pnp plano também foi fabricado.

Os símbolos gráficos do transistor bipolar são mostrados na figura a seguir.

Esses UGOs são internacionais e também válidos de acordo com GOST 2.730-73.

Circuitos de comutação de transistor

Normalmente, um transistor bipolar é sempre usado em conexão direta - a polaridade reversa na junção FE não dá nada de interessante. Para um diagrama de conexão direta, existem três esquemas de conexão: um emissor comum (OE), um coletor comum (OK) e uma base comum (OB). Todas as três inclusões são mostradas abaixo. Eles explicam apenas o próprio princípio de operação - se assumirmos que o ponto de operação é de alguma forma, com a ajuda de uma fonte de alimentação adicional ou um circuito auxiliar, é estabelecido. Para abrir um transistor de silício (Si), é necessário ter um potencial de ~ 0,6 V entre o emissor e a base, e ~ 0,3 V é suficiente para o germânio.

Emissor comum

A tensão U1 causa a corrente Ib, a corrente de coletor Ic é igual à corrente de base multiplicada por β. Neste caso, a tensão + E deve ser grande o suficiente: 5V-15V. Este circuito amplifica bem a corrente e a tensão, daí a potência. O sinal de saída está em fase oposta ao sinal de entrada (invertido). Isso é usado na tecnologia digital como uma função NOT.

Se o transistor não operar no modo chave, mas como um amplificador de pequenos sinais (modo ativo ou linear), então, selecionando a corrente de base, a tensão U é definida₂ igual a E / 2 para que o sinal de saída não seja distorcido. Esta aplicação é utilizada, por exemplo, na amplificação de sinais de áudio em amplificadores de ponta, com baixa distorção e, consequentemente, baixa eficiência.

Colecionador comum

Em termos de tensão, o circuito OK não amplifica, aqui o ganho é α ~ 1. Portanto, esse circuito é denominado seguidor de emissor. A corrente no circuito emissor é β + 1 vezes maior do que no circuito base. Este circuito amplifica bem a corrente e tem uma saída baixa e uma impedância de entrada muito alta. (É hora de lembrar que um transistor é chamado de transformador de resistência.)

O seguidor de emissor tem propriedades e características de desempenho muito adequadas para pontas de prova de osciloscópio. Ele usa sua enorme impedância de entrada e baixa impedância de saída, o que é bom para combinar com um cabo de baixa impedância.

Base comum

Este circuito tem a impedância de entrada mais baixa, mas seu ganho de corrente é α. Um circuito de base comum amplifica bem em voltagem, mas não em potência. Sua característica é a eliminação do efeito da realimentação da capacitância (ef. Moleiro). Os estágios OB são ideais como estágios de entrada de amplificadores em caminhos de RF combinados em baixas impedâncias de 50 e 75 ohms.

Cascatas com uma base comum são amplamente utilizadas na tecnologia de micro-ondas e sua aplicação em radioeletrônicos com uma cascata seguidora de emissor é muito comum.

Dois modos principais de operação

Faça a distinção entre os modos de operação usando sinal "pequeno" e "grande". No primeiro caso, um transistor bipolar opera em uma pequena parte de suas características, e isso é usado em tecnologia analógica. Nesses casos, a amplificação linear dos sinais e baixo ruído são importantes. Este é um modo linear.

No segundo caso (modo chave), o transistor bipolar opera na faixa completa - da saturação ao corte, como uma chave. Isso significa que se você olhar para a característica I-V da junção p-n, você deve aplicar um pequeno reverso entre a base e o emissor para bloquear completamente o transistor tensão, e para a abertura total, quando o transistor entra no modo de saturação, aumente ligeiramente a corrente de base, em comparação com o sinal fraco modo. Então, o transistor funciona como um interruptor de pulso. Este modo é usado em dispositivos de comutação e alimentação, é usado para comutação de fontes de alimentação. Nesses casos, eles tentam atingir um curto tempo de chaveamento dos transistores.

A lógica digital é caracterizada por uma posição intermediária entre os sinais “grandes” e “pequenos”. Um nível lógico baixo é limitado a 10% da tensão de alimentação e um nível lógico alto é limitado a 90%. Atrasos de tempo e comutação tendem a ser reduzidos ao limite. Este modo de operação é fundamental, mas a energia está sendo mantida no mínimo. Qualquer elemento lógico é uma chave.

Outros tipos de transistores

Os principais tipos de transistores já descritos não limitam seu projeto. Transistores compostos são produzidos (circuito de Darlington). Seu β é muito grande e é igual ao produto dos coeficientes de ambos os transistores, portanto, eles também são chamados de transistores “superbeta”.

A engenharia elétrica já domina o transistor bipolar de porta isolada (IGBT), com porta isolada. A porta do transistor de efeito de campo está realmente isolada de seu canal. É verdade que há uma questão de recarregar sua capacitância de entrada durante a comutação, portanto, também não pode ficar sem corrente aqui.

Esses transistores são usados ​​em interruptores de energia poderosos: conversores de pulso, inversores, etc. Na entrada, os IGBTs são muito sensíveis, devido à alta resistência das portas dos transistores de efeito de campo. Na saída - eles possibilitam o recebimento de grandes correntes e podem ser fabricados para alta tensão. Por exemplo, nos Estados Unidos há uma nova usina de energia solar, onde esses transistores em um circuito de ponte são carregados em transformadores poderosos que fornecem energia para a rede industrial.

Em conclusão, notamos que os transistores, em termos simples, são o "carro-chefe" de toda a eletrônica moderna. Eles são usados ​​em todos os lugares: de locomotivas elétricas a telefones celulares. Qualquer computador moderno consiste praticamente apenas em transistores. As bases físicas da operação do transistor são bem compreendidas e prometem muitos outros avanços.

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