Tipos de transistores bipolares. Cómo determinar el modo de funcionamiento en transistores bipolares.

TEMA 4. TRANSISTORES BIPOLARES

4.1 Diseño y principio de funcionamiento.

Un transistor bipolar es un dispositivo semiconductor que consta de tres regiones con tipos alternos de conductividad eléctrica y es adecuado para la amplificación de potencia.

Los transistores bipolares producidos actualmente se pueden clasificar según los siguientes criterios:

Por material: germanio y silicio;

Según el tipo de conductividad de las áreas: tipos p-n-p y n-p-n;

Por potencia: baja (Pmax £ 0,3 W), media (Pmax £ 1,5 W) y alta potencia (Pmax > 1,5 W);

Por frecuencia: baja frecuencia, media frecuencia, alta frecuencia y microondas.

En los transistores bipolares, la corriente está determinada por el movimiento de portadores de carga de dos tipos: electrones y huecos (o mayoritarios y minoritarios). De ahí su nombre: bipolar.

Actualmente, sólo se fabrican y utilizan transistores con uniones p-n planas.

La estructura de un transistor bipolar plano se muestra esquemáticamente en la figura. 4.1.

Es una placa de germanio o silicio en la que se crean tres regiones con diferentes conductividades eléctricas. En un transistor n-p-n, la región media tiene un agujero y las regiones exteriores tienen conductividad electrónica.

Los transistores del tipo pnp tienen una región central con conductividad electrónica y regiones exteriores con conductividad eléctrica hueca.

La región media del transistor se llama base, una región extrema es el emisor y la otra es el colector. Por tanto, el transistor tiene dos uniones p-n: el emisor, entre el emisor y la base, y el colector, entre la base y el colector. El área de la unión del emisor es menor que el área de la unión del colector.

El emisor es la región del transistor cuya finalidad es inyectar portadores de carga en la base. Un colector es una región cuya finalidad es extraer portadores de carga de la base. La base es la región en la que el emisor inyecta los portadores de carga que no son mayoritarios en esta región.

La concentración de los principales portadores de carga en el emisor es muchas veces mayor que la concentración de los principales portadores de carga en la base, y su concentración en el colector es algo menor que la concentración en el emisor. Por lo tanto, la conductividad del emisor es varios órdenes de magnitud mayor que la conductividad base y la conductividad del colector es algo menor que la conductividad del emisor.

Se extraen conclusiones de la base, el emisor y el colector. Dependiendo de cuál de los terminales es común a los circuitos de entrada y salida, existen tres circuitos para conectar el transistor: con una base común (CB), un emisor común (CE) y un colector común (CC).

El circuito de entrada o control sirve para controlar el funcionamiento del transistor. En el circuito de salida, o controlado, se obtienen oscilaciones amplificadas. La fuente de oscilaciones amplificadas se incluye en el circuito de entrada y la carga se conecta al circuito de salida.

Consideremos el principio de funcionamiento de un transistor usando el ejemplo de un transistor pnp conectado según un circuito con una base común (Fig. 4.2).

Figura 4.2 – Principio de funcionamiento de un transistor bipolar (tipo pnp)

Los voltajes externos de dos fuentes de energía EE y Ek están conectados al transistor de tal manera que la unión del emisor P1 está polarizada en dirección directa (tensión directa) y la unión del colector P2 está polarizada en dirección inversa (tensión inversa). .

Si se aplica un voltaje inverso a la unión del colector y el circuito del emisor está abierto, entonces fluye una pequeña corriente inversa Iko (unidades de microamperios) en el circuito del colector. Esta corriente surge bajo la influencia de un voltaje inverso y se crea mediante el movimiento direccional de portadores de carga minoritarios, orificios de base y electrones colectores a través de la unión del colector. La corriente inversa fluye por el circuito: +Ek, colector base, -Ek. La magnitud de la corriente inversa del colector no depende del voltaje del colector, sino de la temperatura del semiconductor.

Cuando se conecta un voltaje constante EE al circuito emisor en dirección directa, la barrera de potencial de la unión del emisor disminuye. Comienza la inyección de agujeros en la base.

El voltaje externo aplicado al transistor resulta aplicarse principalmente a las transiciones P1 y P2, porque Tienen una alta resistencia en comparación con la resistencia de las regiones de base, emisor y colector. Por lo tanto, los agujeros inyectados en la base se mueven a través de ella mediante difusión. En este caso, los huecos se recombinan con los electrones de la base. Dado que la concentración de portadores en la base es mucho menor que en el emisor, muy pocos agujeros se recombinan. Con un espesor de base pequeño, casi todos los orificios llegarán a la unión del colector P2. En lugar de los electrones recombinados, los electrones de la fuente de energía Ek ingresan a la base. Los agujeros que se recombinan con los electrones en la base crean una corriente de base IB.

Bajo la influencia del voltaje inverso Ek, la barrera de potencial de la unión del colector aumenta y aumenta el espesor de la unión P2. Pero la barrera potencial de la unión del colector no impide que los agujeros la atraviesen. Los orificios que entran en la región de la unión del colector caen en un fuerte campo de aceleración creado en la unión por el voltaje del colector, y son extraídos (retraídos) por el colector, creando una corriente de colector Ik. La corriente del colector fluye por el circuito: +Ek, colector base, -Ek.

Por tanto, en el transistor fluyen tres corrientes: emisor, colector y corriente de base.

En el cable, que es el terminal base, las corrientes del emisor y del colector se dirigen en direcciones opuestas. Por tanto, la corriente de base es igual a la diferencia entre las corrientes del emisor y del colector: IB = IE - IK.

Los procesos físicos en un transistor n-p-n proceden de manera similar a los procesos en un transistor p-n-p.

La corriente total del emisor IE está determinada por el número de portadores de carga principales inyectados por el emisor. La mayor parte de estos portadores de carga que llegan al colector crea una corriente de colector Ik. Una pequeña parte de los portadores de carga inyectados en la base se recombinan en la base, creando una corriente de base IB. En consecuencia, la corriente del emisor se dividirá en corrientes de base y de colector, es decir IE = IB + Ik.

La corriente del emisor es la corriente de entrada, la corriente del colector es la corriente de salida. La corriente de salida es parte de la corriente de entrada, es decir

donde a es el coeficiente de transferencia de corriente para el circuito OB;

Dado que la corriente de salida es menor que la corriente de entrada, el coeficiente a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

En un circuito emisor común, la corriente de salida es la corriente del colector y la corriente de entrada es la corriente de base. Ganancia actual para el circuito OE:

(4.3)

En consecuencia, la ganancia actual para el circuito OE es de decenas de unidades.

La corriente de salida del transistor depende de la corriente de entrada. Por tanto, un transistor es un dispositivo controlado por corriente.

Los cambios en la corriente del emisor causados ​​por cambios en el voltaje de la unión del emisor se transmiten completamente al circuito del colector, provocando un cambio en la corriente del colector. y porque El voltaje de la fuente de energía del colector Ek es significativamente mayor que el del emisor Ee, entonces la potencia consumida en el circuito colector Pk será significativamente mayor que la potencia en el circuito emisor Re. Por lo tanto, es posible controlar una alta potencia en el circuito colector del transistor con una baja potencia gastada en el circuito emisor, es decir hay un aumento de poder.

4.2 Circuitos de conexión para transistores bipolares.

El transistor está conectado al circuito eléctrico de tal manera que uno de sus terminales (electrodo) es la entrada, el segundo es la salida y el tercero es común a los circuitos de entrada y salida. Dependiendo de qué electrodo sea común, hay tres circuitos de conmutación de transistores: OB, OE y OK. Estos circuitos para un transistor pnp se muestran en la Fig. 4.3. Para un transistor n-p-n en los circuitos de conmutación, solo cambia la polaridad de los voltajes y la dirección de las corrientes. Para cualquier circuito de conmutación de transistores (en modo activo), la polaridad de las fuentes de alimentación debe seleccionarse de modo que la unión del emisor se encienda en la dirección directa y la unión del colector en la dirección inversa.

Figura 4.3 – Circuitos de conexión para transistores bipolares: a) OB; b) OE; c) está bien

4.3 Características estáticas de los transistores bipolares.

El modo de funcionamiento estático del transistor es el modo en el que no hay carga en el circuito de salida.

Las características estáticas de los transistores son las dependencias expresadas gráficamente del voltaje y la corriente del circuito de entrada (características de corriente-voltaje de entrada) y del circuito de salida (características de corriente-voltaje de salida). El tipo de características depende del método de conmutación del transistor.

4.3.1 Características de un transistor conectado según el circuito OB

IE = f(UEB) con UKB = const (Fig. 4.4, a).

IK = f(UKB) con IE = constante (Fig. 4.4, b).

Figura 4.4 – Características estáticas de un transistor bipolar conectado según el circuito OB

Las características de corriente-voltaje de salida tienen tres regiones características: 1 – fuerte dependencia de Ik de UKB (región inicial no lineal); 2 – débil dependencia de Ik de UKB (región lineal); 3 – avería de la unión del colector.

Una característica de las características en la región 2 es su ligero aumento al aumentar el voltaje UCB.

4.3.2 Características de un transistor conectado según el circuito OE:

La característica de entrada es la dependencia:

IB = f(UBE) con UKE = constante (Fig. 4.5, b).

La característica de salida es la dependencia:

IK = f(UKE) con IB = constante (Fig. 4.5, a).

Figura 4.5 – Características estáticas de un transistor bipolar conectado según el circuito OE

El transistor en el circuito OE proporciona amplificación de corriente. Ganancia actual en el circuito OE: Si el coeficiente a para transistores es a = 0,9¸0,99, entonces el coeficiente b = 9¸99. Ésta es la ventaja más importante de conmutar el transistor según el circuito OE, lo que, en particular, determina la aplicación práctica más amplia de este circuito de conmutación en comparación con el circuito OB.

Por el principio de funcionamiento del transistor, se sabe que dos componentes de corriente fluyen a través del terminal de base en dirección opuesta (Fig. 4.6): la corriente inversa de la unión del colector IKO y parte de la corriente del emisor (1 - a) ES DECIR. En este sentido, el valor cero de la corriente base (IB = 0) está determinado por la igualdad de los componentes actuales especificados, es decir (1 − a)IE = IKO. La corriente de entrada cero corresponde a la corriente del emisor IE=IKO/(1−a)=(1+b)IKO y la corriente del colector. En otras palabras, con una corriente de base cero (IB = 0), a través del transistor en el circuito OE fluye una corriente, llamada corriente inicial o pasante IKO(E) e igual a (1+ b) IKO.

Figura 4.6 – Circuito de conexión de un transistor con emisor común (circuito OE)

4.4 Parámetros básicos

Para analizar y calcular circuitos con transistores bipolares, se utilizan los llamados parámetros h del transistor conectado según el circuito OE.

El estado eléctrico de un transistor conectado según el circuito OE se caracteriza por los valores IB, IBE, IK, UKE.

El sistema de parámetros h − incluye las siguientes cantidades:

1. Impedancia de entrada

h11 = DU1/DI1 en U2 = const. (4.4)

representa la resistencia del transistor a la corriente de entrada alterna en la que se produce un cortocircuito en la salida, es decir en ausencia de voltaje de salida de CA.

2. Coeficiente de retroalimentación de voltaje:

h12 = DU1/DU2at I1= const. (4.5)

muestra qué proporción del voltaje CA de entrada se transfiere a la entrada del transistor debido a la retroalimentación en él.

3. Coeficiente de fuerza actual (coeficiente de transferencia actual):

h21 = DI2/DI1 en U2= const. (4.6)

muestra la amplificación de corriente alterna por el transistor en modo sin carga.

4. Conductividad de salida:

h22 = DI2/DU2 en I1 = const. (4.7)

representa la conductancia de corriente alterna entre los terminales de salida del transistor.

Resistencia de salida Ruta = 1/h22.

Para un circuito emisor común, se aplican las siguientes ecuaciones:

(4.8)

Para evitar el sobrecalentamiento de la unión del colector, es necesario que la potencia liberada en ella durante el paso de la corriente del colector no exceda un cierto valor máximo:

(4.9)

Además, existen limitaciones en el voltaje del colector:

y corriente del colector:

4.5 Modos de funcionamiento de los transistores bipolares.

El transistor puede funcionar en tres modos dependiendo del voltaje en sus uniones. Cuando se opera en modo activo, el voltaje en la unión del emisor es directo y en la unión del colector es inverso.

El modo de corte o bloqueo se logra aplicando voltaje inverso a ambas uniones (ambas uniones p-n están cerradas).

Si el voltaje en ambas uniones es directo (ambas uniones p-n están abiertas), entonces el transistor opera en modo de saturación.

En el modo de corte y en el modo de saturación, casi no hay control del transistor. En el modo activo, dicho control se lleva a cabo de manera más eficiente y el transistor puede realizar las funciones de un elemento activo de un circuito eléctrico (amplificación, generación, etc.).

4.6 Ámbito de aplicación

Los transistores bipolares son dispositivos semiconductores de uso universal y se utilizan ampliamente en diversos amplificadores, generadores y dispositivos de conmutación y de impulsos.

4.7 La etapa amplificadora más simple que utiliza un transistor bipolar

El circuito más utilizado es para encender un transistor mediante un circuito con un emisor común (Fig. 4.7).

Los elementos principales del circuito son la fuente de alimentación Ek, el elemento controlado: el transistor VT y la resistencia Rk. Estos elementos forman el circuito principal (de salida) de la etapa amplificadora, en el que, debido al flujo de corriente controlada, se crea un voltaje alterno amplificado en la salida del circuito.

Los elementos restantes desempeñan un papel de apoyo. El condensador Cp es un condensador separador. En ausencia de este condensador en el circuito fuente de señal de entrada, se crearía una corriente continua a partir de la fuente de alimentación Ek.

Figura 4.7 – Diagrama de la etapa amplificadora más simple en un transistor bipolar según un circuito de emisor común

La resistencia RB, conectada al circuito base, garantiza el funcionamiento del transistor en modo de reposo, es decir. en ausencia de una señal de entrada. El modo de reposo está garantizado por la corriente de base de reposo IB » Ek/RB.

Con la ayuda de la resistencia Rk se crea una tensión de salida, es decir Rк realiza la función de crear un voltaje variable en el circuito de salida debido al flujo de corriente en él, controlado a través del circuito base.

Para el circuito colector de la etapa amplificadora, podemos escribir la siguiente ecuación de estado eléctrico:

Ek = Uke + IkRk, (4.10)

es decir, la suma de la caída de voltaje a través de la resistencia Rk y el voltaje colector-emisor Uke del transistor es siempre igual a un valor constante: la fem de la fuente de energía Ek.

El proceso de amplificación se basa en la conversión de la energía de una fuente de voltaje constante Ek en energía de un voltaje alterno en el circuito de salida cambiando la resistencia del elemento controlado (transistor) de acuerdo con la ley especificada por la señal de entrada.

Cuando se aplica un voltaje alterno uin a la entrada de la etapa amplificadora, se crea un componente de corriente alterna IB~ en el circuito base del transistor, lo que significa que la corriente base cambiará. Un cambio en la corriente de base conduce a un cambio en el valor de la corriente del colector (IK = bIB) y, por lo tanto, a un cambio en los valores de voltaje a través de las resistencias Rk y Uke. Las capacidades de amplificación se deben al hecho de que el cambio en los valores de corriente del colector es b veces mayor que la corriente base.

4.8 Cálculo de circuitos eléctricos con transistores bipolares.

Para el circuito colector de la etapa amplificadora (Fig. 4.7), de acuerdo con la segunda ley de Kirchhoff, la ecuación (4.10) es válida.

La característica de voltios-amperios de la resistencia del colector RK es lineal, y las características de voltios-amperios del transistor son características de colector no lineales del transistor (Fig. 4.5, a) conectado de acuerdo con el circuito OE.

El cálculo de dicho circuito no lineal, es decir, la determinación de IK, URK y UKE para varios valores de corrientes de base IB y resistencia de resistencia RK, se puede realizar gráficamente. Para hacer esto, en la familia de características del colector (Fig. 4.5, a), es necesario dibujar desde el punto EK en el eje de abscisas la característica voltamperio de la resistencia RK, que satisfaga la ecuación:

Uke = Ek − RkIk. (4.11)

Esta característica se construye en dos puntos:

Uke = Ek con Ik = 0 en abscisas y Ik = Ek/Rk con Uke = 0 en ordenadas. La característica I-V de la resistencia del colector Rk construida de esta manera se llama línea de carga. Los puntos donde se cruza con las características del colector proporcionan una solución gráfica a la ecuación (4.11) para una resistencia dada Rк y varios valores de la corriente de base IB. A partir de estos puntos se puede determinar la corriente del colector Ik, que es la misma para el transistor y la resistencia Rk, así como la tensión UKE y URK.

El punto de intersección de la línea de carga con una de las características estáticas de corriente-voltaje se llama punto de operación del transistor. Al cambiar IB, puedes moverlo a lo largo de la línea de carga. La posición inicial de este punto en ausencia de una señal alterna de entrada se denomina punto de reposo: T0.

a) b)

Figura 4.8 – Cálculo gráfico-analítico del modo de funcionamiento de un transistor utilizando características de salida y entrada.

El punto de reposo (punto de funcionamiento) T0 determina el ICP actual y el voltaje UCP en modo de reposo. Usando estos valores, puede encontrar la potencia RKP liberada en el transistor en modo de reposo, que no debe exceder la potencia máxima de RK, que es uno de los parámetros del transistor:

RKP = IKP ×UKEP £ RK máx. (4.12)

Los libros de referencia normalmente no proporcionan una familia de características de entrada, sino sólo características para UKE = 0 y para algunos UKE > 0.

Las características de entrada para varios UCE que superan 1 V se encuentran muy cerca unas de otras. Por lo tanto, el cálculo de las corrientes y voltajes de entrada se puede realizar aproximadamente utilizando la característica de entrada para UCE > 0, tomada del libro de referencia.

Los puntos A, To y B de la característica operativa de salida se transfieren a esta curva y se obtienen los puntos A1, T1 y B1 (Fig. 4.8, b). El punto de funcionamiento T1 determina la tensión base constante UBES y la corriente base constante IUPS.

La resistencia de la resistencia RB (asegura el funcionamiento del transistor en modo de reposo), a través de la cual se suministrará un voltaje constante desde la fuente EK a la base:

(4.13)

En el modo activo (amplificador), el punto de reposo del transistor To se encuentra aproximadamente en el medio de la sección de la línea de carga AB, y el punto de operación no se extiende más allá de la sección AB.

En esta serie de artículos intentaremos hablar de forma sencilla y clara sobre componentes tan complejos como los transistores.

Hoy en día, este elemento semiconductor se encuentra en casi todas las placas de circuito impreso, en cualquier dispositivo electrónico (teléfonos móviles, radios, ordenadores y otros aparatos electrónicos). Los transistores son la base para construir chips lógicos, memoria, microprocesadores... Entonces, descubramos qué es este milagro, cómo funciona y qué causa una gama tan amplia de sus aplicaciones.

Un transistor es un componente electrónico hecho de material semiconductor, generalmente con tres terminales, que permite que una señal de entrada controle la corriente.

Mucha gente cree que un transistor amplifica la señal de entrada. Me apresuro a decepcionarlos: por sí solos, sin una fuente de energía externa, los transistores no amplificarán nada (la ley de conservación de la energía aún no ha sido cancelada). Puedes construir un amplificador usando un transistor, pero esta es solo una de sus aplicaciones, y para obtener una señal amplificada necesitas un circuito especial, que está diseñado y calculado bajo ciertas condiciones, además de una fuente de energía.

Por sí solo, el transistor sólo puede controlar la corriente.

¿Qué es lo más importante que necesitas saber? Los transistores se dividen en 2 grandes grupos: bipolares y de efecto de campo. Estos 2 grupos se diferencian en estructura y principio de funcionamiento, por lo que hablaremos de cada uno de estos grupos por separado.

Entonces el primer grupo es transistores bipolares.

Estos transistores constan de tres capas de semiconductor y se dividen en 2 tipos según su estructura: pnp Y npn. El primer tipo (pnp) a veces se denomina transistores directos y el segundo tipo (npn) se denomina transistores inversos.

¿Qué significan estas letras? ¿En qué se diferencian estos transistores? ¿Y por qué exactamente dos conductividades? Como siempre, la verdad está ahí afuera. Todo lo ingenioso es simple. N - negativo (inglés) - negativo. P - positivo (inglés) - positivo. Ésta es una designación de los tipos de conductividad de las capas semiconductoras que componen el transistor. "Positivo" es una capa de semiconductor con conductividad "agujero" (en la que los principales portadores de carga tienen un signo positivo), "negativo" es una capa de semiconductor con conductividad "electrónica" (en la que los principales portadores de carga tienen
signo negativo).

La estructura y designación de los transistores bipolares en los diagramas se muestra en la figura de la derecha. Cada salida tiene su propio nombre. E - emisor, K - colector, B - base. ¿Cómo descubrir el resultado básico en el diagrama? Fácilmente. Está indicado por la plataforma sobre la que descansan el colector y el emisor. ¿Cómo puedes saber el emisor? También es fácil, esta es la salida con una flecha. El pin restante es el coleccionista. La flecha en el emisor siempre muestra la dirección de la corriente. En consecuencia, para los transistores npn, la corriente fluye a través del colector y la base y sale del emisor; por el contrario, para los transistores pnp, la corriente fluye a través del emisor y sale a través del colector y la base.

Profundicemos en la teoría... Tres capas de semiconductor forman dos uniones pn en el transistor. Uno está entre el emisor y la base, generalmente se llama emisor, el segundo está entre el colector y la base, generalmente se llama colector.

En cada una de las dos uniones pn puede haber polarización directa o inversa, por lo tanto, en el funcionamiento del transistor hay cuatro modos principales, dependiendo de la polarización de las uniones pn (recuerde que sí, si está en el lado con conductividad tipo p el voltaje es mayor que en el lado con conductividad tipo n, entonces esto es una polarización directa de la unión pn, si es al revés, entonces lo contrario). A continuación, en las figuras que ilustran cada modo, las flechas muestran la dirección desde el voltaje más alto hacia el más bajo (¡esta no es la dirección de la corriente!). Esto facilita la navegación: si la flecha se dirige de “p” a “n”, se trata de una polarización directa de la unión pn, si de “n” a “p”, se trata de una polarización inversa.

Modos de funcionamiento de un transistor bipolar.:

1) Si la unión pn del emisor tiene polarización directa y la unión del colector tiene polarización inversa, entonces el transistor está en polarización directa. modo activo normal(A veces simplemente dicen “modo activo”, omitiendo la palabra normal). En este modo, la corriente del colector depende de la corriente de la base y está relacionada con ella mediante la siguiente relación: Ik=Ib*β. El modo activo se utiliza en la construcción de amplificadores de transistores.

2) Si ambas uniones están polarizadas directamente, el transistor está en modo de saturación. En este caso, la corriente del colector deja de depender de la corriente base de acuerdo con la fórmula anterior (en la que había un coeficiente β), deja de aumentar, incluso si la corriente base continúa aumentando. En este caso, se dice que el transistor está completamente abierto o simplemente abierto. Cuanto más nos adentramos en la región de saturación, más se rompe la dependencia Ik=Ib*β. Externamente, parece como si el coeficiente β estuviera disminuyendo. También diré que existe el coeficiente de saturación. Se define como la relación entre la corriente base real (la que tiene actualmente) y la corriente base en el estado límite entre activa y saturación.

3) Si tenemos polarización inversa en ambas uniones, el transistor está en modo de corte. Al mismo tiempo, no fluye corriente a través de él (con la excepción de corrientes de fuga muy pequeñas: corrientes inversas a través de uniones pn). En este caso se dice que el transistor está completamente apagado o simplemente apagado. Los modos de saturación y corte se utilizan en la construcción de interruptores de transistores.

4) Si la unión del emisor tiene polarización inversa y la unión del colector tiene polarización directa, entonces el transistor cae en modo activo inverso. Este modo es bastante exótico y rara vez se utiliza. A pesar de que en nuestros dibujos el emisor no difiere del colector y, de hecho, deberían ser equivalentes (mira nuevamente el dibujo superior; a primera vista, nada cambiará si intercambias el colector y el emisor), de hecho tienen Hay diferencias de diseño (por ejemplo de tamaño) y no son equivalentes. Es debido a esta disparidad que existe una división en “modo activo normal” y “modo activo inverso”.

A veces también se identifica un quinto régimen de barreras. En este caso, la base del transistor está en cortocircuito con el colector. De hecho, sería más correcto hablar no de algún modo especial, sino de una forma especial de encendido. El modo aquí es bastante normal, cerca del estado límite entre el modo activo y la saturación. Se puede obtener no solo poniendo en cortocircuito la base con el colector. En este caso particular, la cuestión es que con este método de conmutación, no importa cómo cambiemos el voltaje de suministro o la carga, el transistor seguirá estando en este modo tan límite. Es decir, el transistor en este caso será equivalente a un diodo.

El transistor bipolar está controlado por corriente. Es decir, para que la corriente fluya entre el colector y el emisor (en otras palabras, para que se abra el transistor), la corriente debe fluir entre el emisor y la base (o entre el colector y la base, en modo inverso). Además, la magnitud de la corriente base y la corriente máxima posible a través del colector (con dicha corriente base) están relacionadas por un coeficiente constante β (coeficiente de transferencia de corriente base): I B * β = I K .

Además del parámetro β, se utiliza otro coeficiente: el coeficiente de transferencia de corriente del emisor (α). Es igual a la relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor: α=Iк/Iе. El valor de este coeficiente suele ser cercano a uno (cuanto más cerca de uno, mejor). Los coeficientes α y β están relacionados entre sí mediante la siguiente relación: β=α/(1-α).

En los libros de referencia nacionales, en lugar del coeficiente β, a menudo se indica el coeficiente h 21E (ganancia de corriente en un circuito con un emisor común), a veces en lugar de β se puede encontrar h FE; Está bien, normalmente podemos suponer que todos estos coeficientes son iguales y, a menudo, se les llama simplemente "ganancia del transistor".

¿Qué nos aporta esto y por qué lo necesitamos? La figura de la izquierda muestra los circuitos más simples. Son equivalentes, pero están construidos utilizando transistores de diferentes conductividades. También está presente: una carga en forma de bombilla incandescente, una resistencia variable y una resistencia fija.

Miremos el diagrama de la izquierda. ¿Qué está pasando allí? Imaginemos que el control deslizante de resistencia variable está en la posición superior. En este caso, el voltaje en la base del transistor es igual al voltaje en el emisor, la corriente de la base es cero, por lo tanto la corriente del colector también es cero (I K = β*I B) - el transistor está cerrado, la lámpara no no ligero. Comenzamos a bajar el control deslizante hacia abajo.
- el voltaje en él comienza a caer más bajo que en el emisor - aparece una corriente desde el emisor a la base (corriente de base) y al mismo tiempo - una corriente desde el emisor al colector (el transistor comenzará a abrirse). La lámpara empieza a brillar, pero no con toda su intensidad. Cuanto más bajo muevamos el control deslizante de resistencia variable, más brillante brillará la lámpara.

Y luego, ¡atención! Si comenzamos a mover el control deslizante de la resistencia variable hacia arriba, el transistor comenzará a cerrarse y las corrientes del emisor a la base y del emisor al colector comenzarán a disminuir. En el diagrama de la derecha todo es igual, solo que con un transistor de diferente conductividad.

El modo de funcionamiento considerado del transistor está activo. ¿Cuál es el punto? ¿La corriente controla la corriente? Exacto, pero el truco es que el coeficiente β se puede medir en decenas y
incluso cientos. Es decir, para cambiar en gran medida la corriente que fluye del emisor al colector, sólo necesitamos cambiar ligeramente la corriente que fluye del emisor a la base.

En modo activo, el transistor (con el cableado adecuado) se utiliza como amplificador.

Estamos cansados... descansemos un poco...

¡Y adelante de nuevo!

Ahora veamos cómo funciona un transistor como interruptor. Miremos el diagrama de la izquierda. Deje que el interruptor S esté cerrado en la posición 1. En este caso, la base del transistor a través de la resistencia R se acerca al positivo de potencia, por lo que no hay corriente entre el emisor y la base y el transistor está cerrado. Imaginemos que movimos el interruptor S a la posición 2. El voltaje en la base se vuelve menor que en el emisor: aparece una corriente entre el emisor y la base (su valor está determinado por la resistencia R). Inmediatamente surge una corriente FE. El transistor se abre y la lámpara se enciende. Si volvemos a colocar el interruptor S en la posición 1, el transistor se cerrará y la lámpara se apagará. (en el diagrama de la derecha todo es igual, solo que el transistor tiene una conductividad diferente)

En este caso, se dice que el transistor actúa como interruptor. ¿Cuál es el punto? El transistor cambia entre dos estados: abierto y cerrado. Por lo general, cuando se usa un transistor como interruptor, intentan asegurarse de que en el estado abierto el transistor esté cerca de la saturación (al mismo tiempo, la caída de voltaje entre el colector y el emisor y, por lo tanto, las pérdidas en el transistor, es mínimo). Para ello se calcula de forma especial la resistencia limitadora en el circuito base. Generalmente se evitan los estados de saturación profunda y corte profundo, porque en este caso aumenta el tiempo para cambiar la clave de un estado a otro.

Un pequeño ejemplo de cálculos. Imaginemos que controlamos una lámpara incandescente de 12V y 50mA a través de un transistor. Nuestro transistor actúa como un interruptor, por lo que en estado abierto debería estar cerca de la saturación. No tendremos en cuenta la caída de tensión entre el colector y el emisor, ya que para el modo de saturación es un orden de magnitud menor que la tensión de alimentación. Dado que a través de la lámpara fluye una corriente de 50 mA, debemos elegir un transistor con una corriente EC máxima de al menos 62,5 mA (normalmente se recomienda utilizar componentes al 75% de sus parámetros máximos, esto es una especie de reserva) . Abra el directorio y busque un transistor pnp adecuado. Por ejemplo KT361. En nuestro caso, en cuanto a corriente, convienen con los índices de letras “a, b, c, d”, ya que el voltaje máximo de los FE es de 20V, mientras que en nuestro problema es de solo 12V.

Supongamos que usaremos KT361A, con una ganancia de 20 a 90. Dado que necesitamos que se garantice que el transistor se abra completamente, usaremos el Kus mínimo = 20 en el cálculo. Ahora pensamos. ¿Qué corriente mínima debe fluir entre el emisor y la base para proporcionar una corriente de 50 mA a través del EC?

50 mA / 20 veces = 2,5 mA

¿Qué valor de resistencia limitadora de corriente se debe instalar para pasar una corriente de 2,5 mA a través del BE?

Aquí todo es sencillo. Ley de Ohm: I=U/R. Por lo tanto, R = (suministro de 12 V - pérdida de 0,65 V en la unión pn BE) / 0,0025 A = 4540 ohmios. Dado que 2,5 mA es la corriente mínima que en nuestro caso debe fluir desde el emisor a la base, es necesario seleccionar la resistencia más cercana de menor resistencia del rango estándar. Por ejemplo, con una desviación del 5% sería una resistencia de 4,3 kOhm.

Ahora sobre la corriente. Para encender una lámpara con una corriente nominal de 50 mA, necesitamos conmutar una corriente de sólo 2,5 mA. Y esto es cuando se utiliza un transistor de bienes de consumo, barato y con un Kus bajo, desarrollado hace 40 años. ¿Sientes la diferencia? ¿Cuánto se pueden reducir las dimensiones de los interruptores (y por tanto su coste) cuando se utilizan transistores?

Volvamos de nuevo a la teoría.

En los ejemplos discutidos anteriormente, utilizamos solo uno de los circuitos de conmutación de transistores. En total, dependiendo de dónde suministramos la señal de control y de dónde tomamos la señal de salida (en qué electrodo es común para estas señales), existen 3 circuitos principales para encender transistores bipolares (bueno, lógico, ¿verdad? - el transistor tiene 3 salidas, esto significa que si divides los circuitos según el principio de que uno de los terminales es común, entonces puede haber 3 circuitos en total):

1) Circuito emisor común.

Si asumimos que la corriente de entrada es la corriente de base, el voltaje de entrada es el voltaje en la unión BE, la corriente de salida es la corriente del colector y el voltaje de salida es el voltaje entre el colector y el emisor, entonces podemos escribir que: Isal/Iin=Iк/Ib= β, Rin=Ube/Ib.

Además, dado que Uout=Epit-Ik*R, está claro que, en primer lugar, el voltaje de salida puede fácilmente ser mucho mayor que el de entrada y, en segundo lugar, que el voltaje de salida se invierte con respecto a la entrada (cuando Ube= Uin aumenta y la corriente de entrada aumenta; la corriente de salida también aumenta, pero Uke = Uout disminuye).

Este circuito de conexión (por brevedad se denomina OE) es el más común, ya que permite amplificar tanto la corriente como el voltaje, es decir, permite obtener la máxima amplificación de potencia. Observo que esta potencia adicional de la señal amplificada no se toma de la nada ni del transistor en sí, sino de la fuente de alimentación (Epit), sin la cual el transistor no podrá amplificar nada y no habrá corriente. en el circuito de salida. (Creo que escribiremos con más detalle más adelante, en un artículo aparte, sobre cómo funcionan exactamente los amplificadores de transistores y cómo calcularlos).

2) Esquema con una base común..

Aquí, la corriente de entrada es la corriente del emisor, el voltaje de entrada es el voltaje en la unión BE, la corriente de salida es la corriente del colector y el voltaje de salida es el voltaje en la carga conectada al circuito colector. Para este circuito: Iout≈Iin, porque Ik≈Ie, Rin=Ube/Ie.

Un circuito de este tipo (OB) solo amplifica el voltaje y no amplifica la corriente. La señal en este caso no cambia de fase.

3) Circuito colector común(seguidor emisor).

Aquí, la corriente de entrada es la corriente base y el voltaje de entrada está conectado a la unión del transistor BE y la carga, la corriente de salida es la corriente del emisor y el voltaje de salida es el voltaje a través de la carga conectada al circuito emisor. . Para este circuito: Iout/Iin=Ie/Ib=(I K +I B)/I B =β+1, porque Por lo general, el coeficiente β es bastante grande, pero a veces se considera Iout/Iin≈β. Rin=Ube/Ib+R. Usal/Uin=(Ube+Usal)/Usal≈1.

Como puede ver, dicho circuito (OK) amplifica la corriente y no amplifica el voltaje. La señal en este caso no cambia de fase. Además, este circuito tiene la mayor resistencia de entrada.

Las flechas naranjas en los diagramas anteriores muestran los circuitos de flujo de corriente creados por la fuente de alimentación del circuito de salida (Epit) y la propia señal de entrada (Uin). Como puede ver, en un circuito con OB, la corriente creada por Epit fluye no solo a través del transistor, sino también a través de la fuente de la señal amplificada, y en un circuito con OK, por el contrario, la corriente creada por la señal de entrada fluye no solo a través del transistor, sino también a través de la carga (con estas señales se puede distinguir fácilmente un esquema de conexión de otro).

Y finalmente, hablemos de cómo comprobar la capacidad de servicio de un transistor bipolar. En la mayoría de los casos, el estado del transistor se puede juzgar por el estado de las uniones pn. Si consideramos estas uniones pn independientemente una de otra, entonces el transistor se puede representar como una combinación de dos diodos (como en la figura de la izquierda). En general, la influencia mutua de las uniones pn es lo que hace que un transistor sea un transistor, pero al verificar, esta influencia mutua se puede ignorar, ya que aplicamos voltaje a los terminales del transistor en pares (a dos terminales de tres). En consecuencia, puede verificar estas uniones pn con un multímetro normal en modo de prueba de diodos. Cuando conectas la sonda roja (+) al cátodo del diodo y la negra al ánodo, la unión pn se cerrará (el multímetro muestra una resistencia infinitamente alta), si intercambias las sondas, la unión pn estar abierto (el multímetro muestra la caída de voltaje en la unión pn abierta, generalmente 0,6-0,8 V). Al conectar sondas entre el colector y el emisor, el multímetro mostrará una resistencia infinitamente alta, independientemente de qué sonda esté conectada al colector y cuál al emisor.

Continuará…

- uno de los dos tipos principales de transistores, fabricado en forma de dispositivo semiconductor de tres electrodos. Cada uno de estos conductores contiene capas dispuestas sucesivamente con conductividad n (impureza) o conductividad p (hueco). Así, se forman transistores bipolares de tipo n-p-n o p-n-p.

Los tres electrodos de un transistor bipolar están conectados respectivamente a cada una de las tres capas conductoras.

En el momento del funcionamiento de un transistor bipolar se produce una transferencia simultánea de diferentes tipos de cargas transportadas por electrones y huecos. Es decir, hay dos tipos de cargas involucradas, por eso a este transistor se le llama “bipolar” (“bi” significa “dos”).

Fig. 1: Diseño de transistor bipolar.

El electrodo conectado a la capa intermedia se denomina "base". Los dos electrodos más externos se denominan "colector" y "emisor". Estos dos canales son idénticos en el tipo de conductividad. Sin embargo, para obtener un dispositivo con las características necesarias, la capa conectada al emisor se dopa más con impurezas y la capa conectada al colector, al revés. Como resultado, aumenta la tensión admisible del colector. Tener en cuenta el nivel de tensión inversa al que se produce la ruptura de la unión del emisor no es tan importante, ya que para el montaje de un circuito electrónico se suelen utilizar modelos con polarización directa a través de la unión pn del emisor, lo que convierte el circuito prácticamente en un conductor. Entre otras cosas, la capa emisora ​​dopada facilita la transición de portadores minoritarios a la capa conductora central, lo que ayuda a aumentar la eficiencia de conversión de corriente en un circuito CB (base común).

Además, en el diseño modificado, la unión p-n del colector es significativamente mayor que la unión del emisor. Este parámetro se debe a la necesidad de mejorar la recogida de portadores minoritarios procedentes de la capa base y aumentar el coeficiente de transmisión.

El rendimiento de los transistores bipolares depende del grosor de la capa base: cuanto más gruesa es, más lento funciona todo el circuito. Pero esta capa tampoco puede adelgazarse mucho. A medida que disminuye el espesor, también disminuye el período de tiempo necesario para que los portadores minoritarios pasen a través del cuerpo de la capa base, pero al mismo tiempo hay una disminución significativa en el voltaje máximo del colector. Por tanto, la selección del tamaño de base correcto se realiza teniendo en cuenta ambos fenómenos.

Dispositivo y principio de funcionamiento.

Fig. 2: Transistor npn bipolar plano en sección transversal

Los primeros modelos de transistores bipolares se fabricaron con metal germanio (material semiconductor). Actualmente, para estos fines se utilizan silicio monocristalino y arseniuro de galio monocristalino.

Fig. 3: Monocristales de silicio y arseniuro de galio

Los dispositivos de acción más rápida son los que utilizan arseniuro de galio. Por esta razón, se utilizan con mayor frecuencia como elementos de circuitos lógicos de ultra alta velocidad y circuitos amplificadores de microondas.

Como se mencionó anteriormente, la estructura de un transistor bipolar consta de capas emisoras, base y colectoras con diferentes niveles de dopaje, y cada capa está conectada a su propio electrodo, representado por un contacto óhmico (no rectificador).

La capa base ligeramente dopada del transistor tiene un alto nivel de resistencia óhmica.

Al correlacionar los contactos emisor-base y colector-base, se puede observar que el primero es inferior en tamaño al segundo.

Este diseño se debe a los siguientes puntos:

• Una gran unión colector-base le permite aumentar la cantidad de portadores de carga minoritarios (MCC) transferidos desde la base al colector;
• En el momento de la operación activa, la unión KB opera en condiciones de polarización inversa, lo que provoca una fuerte generación de calor en el área de unión del colector; por lo tanto, para mejorar su eliminación de calor, se debe aumentar el área.

Por lo tanto, el transistor bipolar simétrico "ideal" aparece sólo en los cálculos teóricos, y la transferencia de la teoría a una base práctica demuestra que aquellos modelos que no tienen simetría tienen la mayor eficiencia.

En el modo de amplificación activa, el transistor sufre una polarización directa de la unión E (se abre) y una polarización inversa de la unión K (se cierra). En la situación opuesta, cuando la unión E se cierra y la unión K se abre, el transistor bipolar se enciende a la inversa.

Si consideramos con más detalle el proceso de funcionamiento de los transistores de tipo n-p-n, en primer lugar observamos la transición de los NC principales (portadores de carga) desde la capa emisora ​​a lo largo de la unión E-B hasta la capa base. Algunos de los NS representados por electrones interactúan con huecos en la base, lo que conduce a la neutralización de ambas cargas y la concomitante liberación de energía. Sin embargo, la capa base es bastante delgada y ligeramente dopada, esto aumenta el tiempo total del proceso de interacción, por lo que una cantidad mucho mayor de NC emisores logran penetrar en la capa colectora. Además, se ve afectado el efecto de la fuerza del campo eléctrico generado por la unión polarizada del colector. Gracias a esta fuerza, el número de electrones extraídos de la capa base aumenta significativamente.

Como resultado, el valor de la corriente del colector es casi igual a la corriente del emisor menos las pérdidas en la capa base, que calculan la propia corriente base. Para calcular el valor de la corriente del colector se utiliza la fórmula:

donde Ik es la corriente del colector, es decir, la corriente del emisor, α es el coeficiente de transferencia de corriente del emisor.

El rango de valores del coeficiente α varía de 0,9 a 0,99. Los valores más grandes permiten una transmisión de corriente más eficiente por parte del transistor. El valor de α no está determinado por el voltaje que exhiben las transiciones K-B y B-E. Como resultado, bajo condiciones de muchas opciones de voltaje de operación, se mantiene la relación proporcional entre Ik e Ib. Para encontrar el coeficiente de esta proporcionalidad se utiliza la fórmula:

β = α/(1 − α).

Los valores de β pueden oscilar entre 10 y 100. De esto podemos concluir que para regular el funcionamiento de una gran corriente de colector, es muy posible arreglárselas con una corriente de baja intensidad en la base.

Variedades del orden de acción de los transistores bipolares.

Modo activo normal

Característica:

1. Región de base de emisor abierta (sesgo directo);
2. Región cerrada de la base del colector (sesgo inverso);
3. Nivel de voltaje positivo en la región de la base del emisor;
4. Nivel de voltaje negativo en la región colector-base.

Los puntos 3 y 4 se dan para transistores pnp. Para modelos con estructura n-p-n la característica será la inversa de ésta.

Modo activo inverso

Característica:

1. Polarización inversa en la unión del emisor;
2. Polarización directa en la unión del colector.

Los puntos restantes son los mismos que para el modo activo normal.

Modo de saturación

Característica:

1. Conexión del cruce E y K con fuentes externas;
2. Polarización directa de la unión del emisor y del colector;
3. Debilitamiento del campo eléctrico difuso debido al campo eléctrico de fuentes externas;
4. Una disminución en el nivel de la barrera de potencial, lo que conducirá a un debilitamiento del control de la difusión de los NC principales, así como al desplazamiento de un gran número de orificios desde las regiones emisoras y colectoras a la región base.

Como resultado del último punto, se produce la formación de corrientes de saturación en emisor y colector (Ie.s. e Ik.s.)

Del mismo modo, el concepto de “voltaje de saturación” aparece en la transición K-E. Gracias a él, puede determinar el grado de caída de voltaje de un transistor abierto. De manera similar, el voltaje de saturación para la unión B-E determina el grado de caída de voltaje para la sección reducida.

Modo de corte

Característica:

• Sesgo inverso en la región K;
• El desplazamiento de la unión E en cualquier dirección, siempre que no supere el valor umbral que limita el inicio del proceso de emisión de electrones por parte del emisor hacia la capa base.

El nivel del indicador dado en el caso de un transistor bipolar de silicio alcanza 0,6-0,7 voltios, lo que significa que el modo de corte es posible con corriente cero en la base o con un nivel de voltaje inferior a 0,7 voltios en la unión EB.

Modo barrera

Característica:

• La conexión entre el segmento base y el colector es corta o utiliza una resistencia de pequeño tamaño;
• Se conecta una resistencia al circuito colector o emisor para que pueda regular la corriente a través de un elemento transistor.

La operación en el modo presentado convierte un triodo semiconductor en un análogo de un diodo con una conexión en serie a una resistencia de ajuste de corriente. Una cascada construida de acuerdo con este esquema tiene una pequeña cantidad de componentes y es casi independiente de las características del dispositivo utilizado.

Esquemas de conexión

Para caracterizar un circuito de transistor de conmutación, se utilizan dos indicadores importantes:

• El valor del coeficiente de fijación de ganancia actual, que se calcula mediante la relación entre la corriente de salida (Iout) y la corriente de entrada (Iin);
• El valor de la resistencia de entrada (Rin), que se calcula a través de la relación entre el voltaje de entrada (Uin) y la corriente de entrada (Iin).

Encendido con base común (CB)

Fig. 4: Amplificador con OB

Característica:

• Una variante de circuito en la que el nivel de resistencia en la entrada es el más bajo y la salida en el más alto;
• α (ganancia actual) se aproxima a 1;
• Tiene un Ku grande (ganancia de voltaje);
• No hay inversión de fase de señal.

Para determinar el coeficiente α, es necesario calcular la relación entre la corriente del colector y la corriente del emisor (en otras palabras, la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada).

Para determinar la resistencia de entrada Rin, debe calcular la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada (en otras palabras, la relación entre el voltaje en la unión E-B y la corriente del emisor). El valor de este parámetro para circuitos con OB alcanza un máximo de 100 Ohmios (en un transistor bipolar de baja potencia).

Ventajas de utilizar circuitos de conmutación con OB

• Buen valor de temperatura y frecuencia;
• Alto nivel de estrés permisible.

Desventajas de utilizar circuitos de conmutación con OB

• Grado insignificante de amplificación actual (ya que el valor del coeficiente α no alcanza la unidad);
• Baja impedancia de entrada;
• El funcionamiento es proporcionado por dos fuentes de voltaje diferentes.

Conexión de emisor común (CE)

Característica:

• La corriente de salida corresponde a la corriente del colector;
• La corriente de entrada corresponde a la corriente base;
• El voltaje de entrada corresponde al voltaje en la unión B-E;

El coeficiente β (ganancia de corriente) para un circuito determinado se puede calcular a través de la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada (corriente del colector a la corriente de base; corriente del colector a la diferencia entre las corrientes del emisor y del colector).

Para determinar la resistencia de entrada (Rin), se calcula la relación entre el voltaje de entrada y la corriente de entrada (voltaje en la unión B-E y corriente en la base).

• Valor grande del coeficiente β;
• Ganancia de alto voltaje;
• Nivel de ganancia de potencia más alto;
• Sólo se utiliza una fuente de energía;
• El voltaje de salida se invierte (en relación con la entrada).

Ventajas de utilizar circuitos de conmutación con OE

• Los valores de temperatura y frecuencia son mucho más bajos en comparación con los circuitos de conmutación con OB.

Encendido con colector común (OK)

Característica:

• La corriente de salida corresponde a la corriente del emisor;
• La corriente de entrada corresponde al valor actual en el área base;
• El voltaje de entrada corresponde al voltaje en la unión B-K;
• El voltaje de salida corresponde al voltaje en la unión K-E.

El cálculo del indicador β se realiza a través de la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada (corriente en la región del emisor a la corriente en la región base; corriente en la región del emisor a la diferencia entre las corrientes E y K).

La cantidad de resistencia en la entrada está determinada por la relación entre el voltaje en la entrada y la corriente en la entrada (la relación entre la suma de los voltajes en las uniones B-E y C-E y el indicador de corriente en la base).

Un circuito con este tipo de conexión se llama seguidor de emisor.

Ventajas de operar circuitos de conmutación con OK

• Nivel significativo de resistencia de entrada;
• Baja resistencia de salida.

Desventajas de operar circuitos de conmutación con OK

• El valor del indicador que caracteriza la ganancia de voltaje no alcanza la unidad.

Indicadores significativos para transistores bipolares.

• El valor del indicador que caracteriza la transmisión actual;
• Nivel de resistencia de salida;
• Valor de conductividad de salida;
• La magnitud de la corriente inversa K-E;
• Tiempo requerido para encender;
• El nivel de la frecuencia límite del indicador que caracteriza la transmisión de la corriente base;
• La magnitud de la corriente inversa en el área del colector;
• El valor actual máximo permitido;
• El nivel de frecuencia límite del indicador que caracteriza la transmisión de corriente (para circuitos con OE).

Las cualidades definitorias de un transistor bipolar se dividen en dos grupos principales. El primer grupo de parámetros define una lista de signos que aparecen durante el funcionamiento del transistor, pero no dependen del tipo de conexión utilizada. Estos incluyen:

• El valor del índice de ganancia actual α;
• Resistencia total del emisor;
• Resistencia total del colector;
• El valor de resistencia en la base en la dirección transversal.

Si hablamos de los parámetros del segundo grupo, cambian según el circuito de conmutación utilizado. Además, es necesario tener en cuenta la falta de linealidad de las propiedades del transistor, por lo que la lista de características secundarias sólo se puede aplicar a frecuencias de bajo nivel y pulsos de baja amplitud.

Se consideran parámetros secundarios:

• Nivel de resistencia de entrada;
• El valor del indicador que demuestra la retroalimentación de voltaje;
• El valor del indicador de transferencia actual;
• Nivel de conductividad de salida.

Además de los puntos anteriores, hay que tener en cuenta que la alta frecuencia conlleva una disminución de la capacitancia, una disminución de la intensidad de la corriente y una posterior disminución de los valores de los coeficientes α y β. El indicador de frecuencia que provoca una disminución de α y β en 3 dB se denomina limitante.

Áreas de aplicación

Los triodos semiconductores se pueden utilizar para crear:

• Amplificadores, etapas de amplificación;
• Generadores de señales;
• Moduladores;
• Demoduladores (detectores);
• Inversores (elementos lógicos), etc.

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Dispositivo y principio de funcionamiento.

Los primeros transistores se fabricaron con germanio. Actualmente, se fabrican principalmente a partir de silicio y arseniuro de galio. Estos últimos transistores se utilizan en circuitos amplificadores de alta frecuencia. Un transistor bipolar consta de tres regiones semiconductoras dopadas de manera diferente: el emisor mi, bases B y coleccionista do. Dependiendo del tipo de conductividad de estas zonas, se distinguen los transistores NPN (emisor - n-semiconductor, base - p-semiconductor, colector - n-semiconductor) y PNP. Los contactos conductores están conectados a cada una de las zonas. La base está situada entre el emisor y el colector y está hecha de un semiconductor ligeramente dopado de alta resistencia. El área total de contacto base-emisor es significativamente menor que el área de contacto colector-base (esto se hace por dos razones: el área grande de la unión colector-base aumenta la probabilidad de que los portadores de carga minoritarios se extraigan en el colector, y Dado que en el modo de funcionamiento la unión colector-base generalmente se enciende en polarización inversa, lo que aumenta la generación de calor y promueve la eliminación de calor del colector), por lo tanto, un transistor bipolar general es un dispositivo asimétrico (es imposible intercambiar el emisor y el colector por cambiando la polaridad de la conexión y dando como resultado un transistor bipolar absolutamente similar al original).

En el modo de funcionamiento activo, el transistor se enciende de modo que su unión del emisor esté polarizada en la dirección directa (abierta) y la unión del colector esté polarizada en la dirección opuesta (cerrada). Para mayor precisión, consideremos npn transistor, todo el razonamiento se repite de manera absolutamente similar para el caso pnp transistor, reemplazando la palabra "electrones" por "huecos", y viceversa, además de reemplazar todos los voltajes con signos opuestos. EN npn En un transistor, los electrones, los principales portadores de corriente en el emisor, pasan a través de la unión abierta emisor-base (inyectados) hacia la región de la base. Algunos de estos electrones se recombinan con los portadores de carga mayoritarios en la base (huecos). Sin embargo, debido a que la base es muy delgada y está relativamente ligeramente dopada, la mayoría de los electrones inyectados desde el emisor se difunden hacia la región del colector. El fuerte campo eléctrico de la unión del colector con polarización inversa captura los electrones y los transporta al colector. Por tanto, la corriente del colector es prácticamente igual a la corriente del emisor, con la excepción de una pequeña pérdida por recombinación en la base, que forma la corriente de base (I e = I b + I k). El coeficiente α que conecta la corriente del emisor y la corriente del colector (I k = α I e) se llama coeficiente de transferencia de corriente del emisor. El valor numérico del coeficiente α es 0,9 - 0,999. Cuanto mayor sea el coeficiente, más eficientemente el transistor transmite corriente. Este coeficiente depende poco de los voltajes colector-base y base-emisor. Por lo tanto, en una amplia gama de voltajes de operación, la corriente del colector es proporcional a la corriente de la base, el coeficiente de proporcionalidad es igual a β = α / (1 − α) = (10..1000). Por lo tanto, al variar una pequeña corriente de base, se puede controlar una corriente de colector mucho mayor.

Modos de funcionamiento de un transistor bipolar.

Modo activo normal

La unión emisor-base está conectada en dirección directa (abierta) y la unión colector-base está conectada en dirección inversa (cerrada).
U EB >0;U KB<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Modo activo inverso

La unión del emisor tiene una conexión inversa y la unión del colector tiene una conexión directa.

Modo de saturación

Ambas uniones pn están polarizadas directamente (ambas abiertas). Si las uniones p-n del emisor y del colector están conectadas a fuentes externas en dirección directa, el transistor estará en modo de saturación. El campo eléctrico de difusión de las uniones del emisor y del colector se verá parcialmente debilitado por el campo eléctrico creado por fuentes externas Ueb y Ukb. Como resultado, la barrera de potencial que limitaba la difusión de los principales portadores de carga disminuirá y comenzará la penetración (inyección) de orificios desde el emisor y el colector hacia la base, es decir, corrientes llamadas corrientes de saturación del emisor (IE .sat) y el colector (IC) fluirán a través del emisor y el colector del transistor.

Modo de corte

En este modo, ambas uniones p-n del dispositivo están polarizadas en la dirección opuesta (ambas están cerradas). El modo de corte del transistor se obtiene cuando las uniones p-n del emisor y del colector están conectadas a fuentes externas en la dirección opuesta. En este caso, corrientes inversas muy pequeñas del emisor (IEBO) y del colector (ICBO) fluyen a través de ambas uniones p-n. La corriente de base es igual a la suma de estas corrientes y, según el tipo de transistor, varía desde unidades de microamperios - µA (para transistores de silicio) hasta unidades de miliamperios - mA (para transistores de germanio).

Modo barrera

En este modo base El transistor para corriente continua se conecta en cortocircuito o mediante una pequeña resistencia con su coleccionista, y en coleccionista o en emisor El circuito del transistor se activa mediante una resistencia que ajusta la corriente a través del transistor. En este sentido, el transistor es una especie de diodo conectado en serie con una resistencia reguladora de corriente. Estos circuitos en cascada se distinguen por una pequeña cantidad de componentes, un buen aislamiento de alta frecuencia, un amplio rango de temperaturas de funcionamiento e insensibilidad a los parámetros de los transistores.

Esquemas de conexión

Cualquier circuito de conexión de transistores se caracteriza por dos indicadores principales:

• Ganancia actual I fuera / I dentro.
• Resistencia de entrada Rin =Uin /Iin

Diagrama de conexión con base común.

Amplificador de base común.

• Entre las tres configuraciones, tiene la impedancia de entrada más baja y la impedancia de salida más alta. Tiene una ganancia de corriente cercana a la unidad y una gran ganancia de voltaje. La fase de la señal no está invertida.
• Ganancia actual: I out /I in =I to /I e =α [α<1]
• Resistencia de entrada R en =U en /I en =U ser /I e.

La resistencia de entrada para un circuito con una base común es pequeña y no excede los 100 ohmios para transistores de baja potencia, ya que el circuito de entrada del transistor es una unión emisora ​​abierta del transistor.

Ventajas:

• Buenas propiedades de temperatura y frecuencia.
• Alto voltaje permitido

Desventajas de un esquema base común:

• Ganancia de corriente baja porque α< 1
• Baja impedancia de entrada
• Dos fuentes de voltaje diferentes para la energía.

Circuito de conexión con emisor común.

• Ganancia actual: I salida /I entrada =I a /I b =I a /(I e -I a) = α/(1-α) = β [β>>1]
• Resistencia de entrada: R in =U in /I in =U be /I b

Ventajas:

• Alta ganancia de corriente
• Ganancia de alto voltaje
• Mayor ganancia de potencia
• Puedes arreglártelas con una sola fuente de energía
• El voltaje CA de salida se invierte con respecto a la entrada.

Defectos:

• Peores propiedades de temperatura y frecuencia en comparación con un circuito base común

Circuito colector común

• Ganancia actual: I out /I in =I e /I b =I e /(I e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Resistencia de entrada: R in = U in / I in = (U b e + U k e) / I b

Ventajas:

• Alta impedancia de entrada
• Baja impedancia de salida

Defectos:

• La ganancia de voltaje es menor que 1.

Un circuito con esta conexión se llama "seguidor de emisor"

Parámetros básicos

• Coeficiente de transferencia actual
• Impedancia de entrada
• Conductividad de salida
• Colector-emisor de corriente inversa
• A tiempo
• Frecuencia límite del coeficiente de transferencia de corriente base
• Corriente de colector inversa
• Corriente máxima permitida
• Frecuencia de corte del coeficiente de transferencia de corriente en un circuito con un emisor común

Los parámetros de los transistores se dividen en intrínsecos (primarios) y secundarios. Los parámetros intrínsecos caracterizan las propiedades del transistor, independientemente de su circuito de conexión. Se toman como principales parámetros propios los siguientes:

• ganancia actual α;
• resistencia del emisor, colector y base a la corriente alterna r e, r k, r b, que son:
  • r e - la suma de las resistencias de la región del emisor y la unión del emisor;
  • r k - la suma de las resistencias del área del colector y la unión del colector;
  • r b - resistencia transversal de la base.

Circuito equivalente de un transistor bipolar usando parámetros h.

Los parámetros secundarios son diferentes para diferentes circuitos de conmutación de transistores y, debido a su no linealidad, son válidos sólo para bajas frecuencias y pequeñas amplitudes de señal. Para los parámetros secundarios, se han propuesto varios sistemas de parámetros y sus correspondientes circuitos equivalentes. Los principales son los parámetros mixtos (híbridos), indicados con la letra "h".

Impedancia de entrada- resistencia del transistor para la entrada de corriente alterna durante un cortocircuito en la salida. El cambio en la corriente de entrada es el resultado de un cambio en el voltaje de entrada, sin la influencia de la retroalimentación del voltaje de salida.

H 11 = U m1 /I m1 en U m2 = 0.

Factor de retroalimentación de voltaje muestra qué proporción del voltaje alterno de salida se transfiere a la entrada del transistor debido a la retroalimentación en él. No hay corriente alterna en el circuito de entrada del transistor y un cambio en el voltaje de entrada se produce solo como resultado de un cambio en el voltaje de salida.

H 12 = U m1 /U m2 en I m1 = 0.

Coeficiente de transferencia actual(ganancia de corriente) muestra la ganancia de corriente CA con resistencia de carga cero. La corriente de salida depende únicamente de la corriente de entrada sin la influencia del voltaje de salida.

H 21 = Yo m2 /Yo m1 en U m2 = 0.

Conductividad de salida- conductividad interna para corriente alterna entre terminales de salida. La corriente de salida cambia bajo la influencia del voltaje de salida.

H 22 = Yo m2 /U m2 en Yo m1 = 0.

La relación entre corrientes alternas y voltajes de transistores se expresa mediante las ecuaciones:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ;
Yo m2 = h 21 Yo m1 + h 22 U m2.

Dependiendo del circuito de conexión del transistor, se agregan letras a los índices digitales de los parámetros h: "e" - para el circuito OE, "b" - para el circuito OB, "k" - para el circuito OK.

Para el circuito OE: I m1 = I mb, I m2 = I mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. Por ejemplo, para este esquema:

H 21e = I mк /I mb = β.

Para el circuito OB: I m1 = I mе, I m2 = I mк, U m1 = U mе-b, U m2 = U mк-b.

Los parámetros propios del transistor están relacionados con los parámetros h, por ejemplo para un circuito OE:

;

;

;

.

Al aumentar la frecuencia, la capacitancia de la unión del colector C k comienza a tener un efecto perjudicial sobre el funcionamiento del transistor. La resistencia de la capacitancia disminuye, la corriente a través de la resistencia de carga y, en consecuencia, los factores de ganancia α y β disminuyen. La resistencia de la capacitancia de la unión del emisor C e también disminuye, sin embargo, es desviada por una pequeña resistencia de la unión r e y en la mayoría de los casos no se puede tener en cuenta. Además, con un aumento de frecuencia, se produce una disminución adicional en el coeficiente β como resultado de un retraso en la fase de la corriente del colector con respecto a la fase de la corriente del emisor, que es causado por la inercia del proceso de mover los portadores a través del base desde la unión del emisor hasta el colector y la inercia de los procesos de acumulación y reabsorción de carga en la base. Las frecuencias en las que los coeficientes α y β disminuyen en 3 dB se denominan frecuencias limitantes del coeficiente de transferencia de corriente para los regímenes OB y ​​OE, respectivamente.

En el modo de pulso, el pulso de corriente del colector comienza con un retraso de un tiempo de retardo τ з con respecto al pulso de corriente de entrada, que es causado por el tiempo de viaje finito de los portadores a través de la base. A medida que los portadores se acumulan en la base, la corriente del colector aumenta durante el tiempo de subida τ f. A tiempo El transistor se llama τ en = τ h + τ f.

Tecnología de fabricación de transistores.

• epitaxial-planar
• Splavnaya
  • Difusión
  • aleación de difusión

Aplicación de transistores

• Demodulador (Detector)
• Inversor (elemento lógico)
• Microcircuitos basados ​​​​en lógica de transistores (ver lógica de transistor-transistor, lógica de diodo-transistor, lógica de resistencia-transistor)

Ver también

Literatura

Notas

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Si consideramos los análogos mecánicos, el funcionamiento de los transistores se asemeja al principio de funcionamiento de la dirección asistida hidráulica de un automóvil. Pero la similitud sólo es válida en una primera aproximación, ya que los transistores no tienen válvulas. En este artículo consideraremos por separado el funcionamiento de un transistor bipolar.

Dispositivo de transistores bipolares

La base de un dispositivo transistor bipolar es un material semiconductor. Los primeros cristales semiconductores para transistores se fabricaron a partir de germanio; hoy en día se utilizan con mayor frecuencia silicio y arseniuro de galio. En primer lugar, se produce un material semiconductor puro con una red cristalina bien ordenada. Luego se le da al cristal la forma requerida y se introduce en su composición una impureza especial (el material está dopado), lo que le confiere ciertas propiedades de conductividad eléctrica. Si la conductividad se debe al movimiento de un exceso de electrones, se define como donante de tipo n (electrónico). Si la conductividad de un semiconductor se debe a la sustitución secuencial de posiciones vacantes, los llamados huecos, por electrones, entonces dicha conductividad se denomina aceptor (hueco) y se denomina conductividad de tipo p.

Figura 1.

El cristal del transistor consta de tres partes (capas) con alternancia secuencial de tipo de conductividad (n-p-n o p-n-p). Las transiciones de una capa a otra forman barreras potenciales. La transición de base a emisor se llama emisor(EP), al coleccionista – coleccionista(KP). En la Figura 1, la estructura del transistor se muestra simétrica, idealizada. En la práctica, durante la producción, las dimensiones de las áreas son significativamente asimétricas, aproximadamente como se muestra en la Figura 2. El área de la unión del colector es significativamente mayor que la unión del emisor. La capa base es muy fina, del orden de varias micras.

Figura 2.

Principio de funcionamiento de un transistor bipolar.

Cualquier unión p-n de un transistor funciona de manera similar. Cuando se aplica una diferencia de potencial a sus polos, se “desplaza”. Si la diferencia de potencial aplicada es condicionalmente positiva y la unión pn se abre, se dice que la unión está polarizada directamente. Cuando se aplica una diferencia de potencial condicionalmente negativa, se produce una polarización inversa de la unión, en la que se bloquea. Una característica del funcionamiento de un transistor es que con una polarización positiva de al menos una transición, el área general, llamada base, está saturada de electrones o vacantes de electrones (según el tipo de conductividad del material base), lo que provoca una reducción significativa en la barrera potencial de la segunda transición y, como consecuencia, su conductividad bajo polarización inversa.

Modos de funcionamiento

Todos los circuitos de conexión de transistores se pueden dividir en dos tipos: normal Y inverso.

Figura 3.

Circuito de conmutación de transistores normal Implica cambiar la conductividad eléctrica de la unión del colector controlando la polarización de la unión del emisor.

Esquema inverso, a diferencia de lo normal, le permite controlar la conductividad de la unión del emisor controlando la polarización de la unión del colector. El circuito inverso es un análogo simétrico del normal, pero debido a la asimetría estructural del transistor bipolar, su uso es ineficaz, tiene restricciones más estrictas en los parámetros máximos permitidos y prácticamente no se usa.

Con cualquier circuito de conmutación, el transistor puede funcionar en tres modos: Modo de corte, modo activo Y modo de saturación.

Para describir el trabajo, en este artículo se considera convencionalmente que la dirección de la corriente eléctrica es la dirección de los electrones, es decir desde el polo negativo de la fuente de alimentación hasta el polo positivo. Usemos el diagrama de la Figura 4 para esto.

Figura 4.

Modo de corte

Para una unión pn, existe un voltaje mínimo de polarización directa al cual los electrones pueden superar la barrera de potencial de esta unión. Es decir, con un voltaje de polarización directa hasta este valor umbral, no puede fluir corriente a través de la unión. Para los transistores de silicio, el valor de este umbral es de aproximadamente 0,6 V. Por lo tanto, con un circuito de conmutación normal, cuando la polarización directa de la unión del emisor no excede los 0,6 V (para transistores de silicio), no fluye corriente a través de la base, es no está saturado con electrones y, como resultado, no hay emisión de electrones básicos en la región del colector, es decir, No hay corriente de colector (cero).

Así, para el modo de corte las condiciones necesarias son las identidades:

U SER<0,6 В

Yo B = 0

Modo activo

En el modo activo, la unión del emisor está polarizada en dirección directa hasta el momento del desbloqueo (la corriente comienza a fluir) con un voltaje superior a 0,6 V (para transistores de silicio), y la unión del colector en dirección inversa. Si la base tiene conductividad tipo p, los electrones se transfieren (inyectan) desde el emisor a la base, los cuales se distribuyen instantáneamente en una capa delgada de la base y casi todos alcanzan el límite del colector. La saturación de la base con electrones conduce a una reducción significativa en el tamaño de la unión del colector, a través de la cual los electrones, bajo la influencia de un potencial negativo del emisor y la base, son forzados a ingresar al área del colector, fluyendo a través del terminal del colector, por lo que provocando la corriente del colector. La capa muy delgada de la base limita su corriente máxima que pasa a través de una sección transversal muy pequeña en la dirección de la salida de la base. Pero este pequeño espesor de la base provoca su rápida saturación de electrones. El área de unión es significativa, lo que crea las condiciones para el flujo de una importante corriente emisor-colector, decenas y cientos de veces mayor que la corriente base. Por lo tanto, al pasar corrientes insignificantes a través de la base, podemos crear las condiciones para el paso de corrientes mucho mayores a través del colector. Cuanto mayor es la corriente de base, mayor es su saturación y mayor es la corriente del colector. Este modo le permite controlar (regular) suavemente la conductividad de la unión del colector cambiando (regulando) correspondientemente la corriente base. Esta propiedad del modo activo del transistor se utiliza en varios circuitos amplificadores.

En modo activo, la corriente del emisor del transistor es la suma de la corriente de la base y del colector:

yo mi = yo k + Yo B

La corriente del colector se puede expresar como:

yo k = α ES DECIR

donde α es el coeficiente de transferencia de corriente del emisor

De las igualdades anteriores podemos obtener lo siguiente:

donde β es el factor de amplificación de la corriente base.

Modo de saturación

El límite para aumentar la corriente de la base hasta el momento en que la corriente del colector permanece sin cambios determina el punto de máxima saturación de la base con electrones. Un aumento adicional en la corriente de la base no cambiará el grado de saturación y no afectará la corriente del colector de ninguna manera; puede provocar un sobrecalentamiento del material en el área de contacto de la base y una falla del transistor; Los datos de referencia para transistores pueden indicar los valores de la corriente de saturación y la corriente de base máxima permitida, o el voltaje de saturación de la base del emisor y el voltaje de la base del emisor máximo permitido. Estos límites determinan el modo de saturación del transistor en condiciones normales de funcionamiento.

El modo de corte y el modo de saturación son efectivos cuando los transistores funcionan como interruptores electrónicos para conmutar circuitos de señal y potencia.

La diferencia en el principio de funcionamiento de transistores con diferentes estructuras.

Anteriormente se consideró el caso del funcionamiento de un transistor n-p-n. Los transistores de estructuras pnp funcionan de manera similar, pero existen diferencias fundamentales que debes conocer. Un material semiconductor con conductividad aceptora de tipo p tiene un rendimiento de electrones relativamente bajo, ya que se basa en el principio de transición de electrones de un sitio vacío (hueco) a otro. Cuando todas las vacantes son reemplazadas por electrones, su movimiento sólo es posible cuando aparecen vacantes en la dirección del movimiento. Con un área significativa de dicho material, tendrá una resistencia eléctrica significativa, lo que genera mayores problemas cuando se usa como el colector y emisor más masivo de transistores bipolares p-n-p que cuando se usa en una capa base muy delgada de transistores n-p-n. Un material semiconductor con conductividad donante de tipo n tiene las propiedades eléctricas de los metales conductores, lo que lo hace más ventajoso para su uso como emisor y colector, como en los transistores n-p-n.

Esta característica distintiva de diferentes estructuras de transistores bipolares conduce a grandes dificultades a la hora de producir pares de componentes con diferentes estructuras y características eléctricas similares entre sí. Si presta atención a los datos de referencia para las características de los pares de transistores, notará que cuando se logran las mismas características para dos transistores de diferentes tipos, por ejemplo KT315A y KT361A, a pesar de su potencia de colector idéntica (150 mW) y aproximadamente la misma ganancia de corriente (20-90), tienen diferentes corrientes de colector máximas permitidas, voltajes de base de emisor, etc.

PD Esta descripción del principio de funcionamiento de un transistor se interpretó desde la posición de la teoría rusa, por lo que no existe una descripción de la acción de los campos eléctricos sobre cargas ficticias positivas y negativas. La física rusa permite utilizar modelos mecánicos más simples, comprensibles y más cercanos a la realidad que las abstracciones en forma de campos eléctricos y magnéticos, cargas positivas y eléctricas, que la escuela tradicional nos traiciona. Por esta razón, no recomiendo utilizar la teoría expuesta sin un análisis y comprensión preliminares al prepararse para realizar exámenes, trabajos de curso y otros tipos de trabajo; es posible que sus profesores simplemente no acepten la disidencia, incluso competitiva y bastante consistente desde el punto de vista común; sentido y lógica. Además, por mi parte, este es el primer intento de describir el funcionamiento de un dispositivo semiconductor desde el punto de vista de la física rusa; puede perfeccionarse y complementarse en el futuro.