Principios de funcionamiento de los transistores. ¿Qué es un transistor? Tipos de dispositivos semiconductores y métodos de prueba.

13. Diseño y principio de funcionamiento de los transistores.

Según el principio de funcionamiento y las características de diseño, los transistores se dividen en dos grandes clases: bipolares y de efecto de campo.

Los transistores bipolares son dispositivos semiconductores con dos o más uniones p-n eléctricas que interactúan y tres o más terminales, cuyas propiedades amplificadoras se deben a los fenómenos de inyección y extracción de portadores de carga minoritarios.

Actualmente, se utilizan ampliamente transistores bipolares con dos uniones p-n, a los que se hace referencia con mayor frecuencia este término. Consisten en regiones (capas) alternas de un semiconductor que tienen conductividades eléctricas de diferentes tipos. Dependiendo del tipo de conductividad eléctrica de las capas exteriores, se distinguen los transistores. ppp y tipos n-p-n.

Los transistores en los que se crean uniones p-n en las superficies de contacto de las capas semiconductoras se denominan planos.

transistores bipolares es un cristal semiconductor que consta de tres capas con conductividad alterna y está equipado con tres conductores (electrodos) para su conexión a un circuito externo.

En la figura. 1.5, a y b muestra la designación del circuito de dos tipos de transistores tipo p-p-p Y p-p-p- tipo . Las capas más externas se llaman asuntoRon(E) y coleccionista(K), entre ellos está base(B). La estructura de tres capas tiene dos uniones pn: unión emisora entre emisor y base y unión del colector entre la base y el colector. El germanio o el silicio se utilizan como material de partida para los transistores.

A la hora de fabricar un transistor se deben cumplir dos condiciones:

espesor de base (distancia entre emisor y número)

transiciones de conferencias) deben ser pequeñas en comparación con el camino libre de los portadores de carga;

2) la concentración de impurezas (y principales portadores de carga) en el emisor debe ser significativamente mayor que en la base (norte a >> norte D V ppp transistor).

Consideremos el principio de funcionamiento. ppp transistor.

El transistor está conectado en serie con la resistencia de carga Rk en el circuito de la fuente de voltaje del colector. mi A . Se suministra un EMF de control a la entrada del transistor. mi B", como se muestra en la Fig. 1.6, a. Encender el transistor cuando la entrada ( mi B , R B ) y día libre ( mi A , R A ) Los circuitos tienen un punto en común: el emisor, es el más común y se llama inclusión. con emisor común(EO).

En ausencia de voltaje (MI B =0, mi A=0) la unión del emisor y el colector están en equilibrio, las corrientes a través de ellos son cero. Ambas transiciones tienen una doble capa eléctrica formada por iones de impureza y una barrera de potencial  o, diferente en cada una de las transiciones. La distribución de potencial en el transistor en ausencia de voltaje se muestra en la figura. 1.6, b con línea discontinua.

Polaridad de fuentes externas. mi B y E A se elige de modo que haya un voltaje directo en la unión del emisor (menos la fuente mi B suministrado a la base, más al emisor), y en la unión del colector: voltaje inverso (menos fuente mi A- al colector, más - al emisor), y el voltaje |Uke|> |Ube| (voltaje en la unión del colector Ukb = Uke-Ube) Con tal inclusión de fuentes mi B y E A La distribución de potencial en el transistor tiene la forma que se muestra en la figura. .1.6, b línea continua. La barrera de potencial de la unión del emisor con polarización directa disminuye, mientras que la barrera de potencial en la unión del colector aumenta. Como resultado de aplicar un voltaje directo a la unión del emisor, comienza una mayor difusión (inyección) de orificios desde el emisor hasta la base. El componente electrónico de la corriente de difusión a través de la unión del emisor puede despreciarse, ya que r r >>p norte , ya que la condición fue indicada anteriormente norte A >>norte D . Por tanto, la corriente del emisor I E = I Edif r. Bajo la influencia de las fuerzas de difusión, como resultado de la diferencia de concentración a lo largo de la base, los orificios se mueven del emisor al colector. Dado que la base en el transistor se realiza. delgado, la mayor parte de los orificios inyectados por el emisor llegan a la unión del colector sin llegar a los centros de recombinación. Estos agujeros son capturados por el campo de la unión del colector, sesgado en la dirección opuesta, ya que este campo se acelera para los portadores minoritarios: los agujeros en la base tipo n. La corriente de los orificios que ingresa al colector desde el emisor se cierra a través de un circuito externo, la fuente mi A . Cuando la corriente del emisor aumenta en I E, la corriente del colector aumentará en I K = I E. Debido a la baja probabilidad de recombinación en una base delgada, el coeficiente de transferencia de corriente del emisor  = I K /I E = 0,9- 0,99.

Una pequeña parte de los huecos inyectados por el emisor entra en los centros de recombinación y desaparece, recombinándose con los electrones. La carga de estos orificios permanece en la base y se restablece la neutralidad de carga de la base desde el circuito externo a expensas de la fuente. ev los electrones entran en la base. Por tanto, la corriente de base representa la corriente de recombinación I rec =I E (1-) Además de los componentes principales indicados de la corriente del transistor, es necesario tener en cuenta la posibilidad de la transición de los portadores minoritarios que surgen en la base y colector como resultado de la generación de portadora a través de la unión del colector, al que se aplica un voltaje inverso. Esta pequeña corriente (transición de huecos de la base al colector y de electrones del colector a la base) es similar a la corriente inversa. r-p transición, también llamada corriente inversa de la unión del colector o corriente térmica y se designa I kbo (Fig. 1.6, a)

transistores de efecto de campo- dispositivos semiconductores que prácticamente no consumen corriente del circuito de entrada.

Los transistores de efecto de campo se dividen en dos tipos, que se diferencian entre sí en su principio de funcionamiento: a) con r-p transición; b) tipo MDP.

. 1.6.1. Transistores de efecto de campo conr-p transición tienen una estructura, una sección de la cual se muestra en la Fig. 1.9, a. Una capa con conductividad tipo p se llama canal, tiene dos salidas al circuito externo: CON- drenar Y Y- fuente. Capas con tipo de conductividad. pag, que rodean el canal están interconectados y tienen una salida a un circuito externo llamado obturador 3. La conexión de fuentes de voltaje al dispositivo se muestra en la Fig. 1.9, a, en la Fig. 1.9.6 muestra la designación del circuito de un transistor de efecto de campo con r-p unión y canal tipo p. También hay transistores de efecto de campo con un canal tipo n; su designación se muestra en la Fig. 1.9, V, El principio de funcionamiento es similar, pero las direcciones de las corrientes y la polaridad de los voltajes aplicados son opuestas.

Consideremos el principio de funcionamiento de un transistor de efecto de campo con un canal tipo p. En la figura. 1.9, GRAMO Se proporciona la familia de características de drenaje (salida) de este dispositivo Iс=f(Uс) en Uз=const.

Con voltaje de control Uzi = 0 y una fuente de voltaje conectada entre drenaje y fuente Ud.si Una corriente fluye a través del canal, que depende de la resistencia del canal. Tensión U Aplicado uniformemente a lo largo del canal, este voltaje causa una polarización inversa. r-p transición entre el canal tipo p y la capa n, con el voltaje inverso más alto en r-p La transición existe en la región adyacente al drenaje y cerca de la fuente. r-p la transición está en un estado de equilibrio. A medida que aumenta el voltaje Ud.si región eléctrica de doble capa r-p La transición, agotada de portadores de carga móvil, se expandirá, como se muestra en la Fig. 1.10, A. La expansión de la unión es especialmente fuerte cerca del drenaje, donde el voltaje inverso a través de la unión es mayor. Extensión r-p La transición conduce a un estrechamiento del canal portador de corriente del transistor y aumenta la resistencia del canal. Debido al aumento de la resistencia del canal al aumentar Usi, la característica de drenaje del transistor de efecto de campo tiene un carácter no lineal (figura 1.9d). En algún voltaje Ud.si fronteras r-p las transiciones se cierran (línea de puntos en la Fig. 1.10, a), y la corriente Ic aumenta al aumentar ucb se detiene.

Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta Uzi>0 r-p La transición se desplaza aún más hacia la región de voltaje inverso y el ancho de transición aumenta, como se muestra en la Fig. 1.10.6. Como resultado, el canal conductor de corriente se estrecha y la corriente Ic disminuye. De esta manera, aumenta el voltaje de la Uzi. es posible reducir I c, como se puede ver al considerar la Fig. 1.9, GRAMO. En cierta Uzi llamada voltaje de corte, Prácticamente no circula corriente de drenaje. La relación entre el cambio en la corriente de drenaje I C y el cambio en el voltaje entre la puerta y la fuente Uzi que lo causó cuando Uс =const se llama lo escarpado:S = I C /Uzi en Uс = constante

A diferencia de los transistores bipolares, los transistores de efecto de campo están controlados por voltaje y solo una pequeña corriente térmica Iz fluye a través del circuito de compuerta. r-p Unión bajo voltaje inverso.

Transistor(transistor): un elemento semiconductor con tres terminales (generalmente), uno de los cuales ( coleccionista) se suministra una corriente fuerte, y el otro ( base) servido débil ( controlar la corriente). A una cierta intensidad de la corriente de control, es como si una válvula se "abriera" y la corriente del coleccionista comienza a fluir en tercera salida ( emisor).

Es decir, un transistor es una especie de válvula, que, a una determinada intensidad de corriente, reduce drásticamente la resistencia y envía la corriente más lejos (del colector al emisor). Esto sucede porque, en determinadas condiciones, los huecos que tienen un electrón lo pierden, aceptan uno nuevo, etc. en un círculo. Si no se aplica corriente eléctrica a la base, el transistor estará en un estado equilibrado y no pasará corriente al emisor.

En los chips electrónicos modernos, el número de transistores números en miles de millones. Se utilizan principalmente para cálculos y constan de conexiones complejas.

Los materiales semiconductores utilizados principalmente en los transistores son: silicio, arseniuro de galio Y germanio. También hay transistores. nanotubos de carbono, transparente para pantallas LCD Y polímero(el más prometedor).

Tipos de transistores:

Bipolar– transistores en los que los portadores de carga pueden ser tanto electrones como “huecos”. La corriente puede fluir como hacia el emisor, entonces hacia el coleccionista. Para controlar el flujo, se utilizan ciertas corrientes de control.

– dispositivos muy extendidos en los que el flujo eléctrico se controla a través de un campo eléctrico. Es decir, cuando se forma un campo más grande, captura más electrones y no puede transferir más cargas. Es decir, este es un tipo de válvula que puede cambiar la cantidad de carga transferida (si el transistor de efecto de campo está controlado pag-norte— transición). Una característica distintiva de estos transistores es su alto voltaje de entrada y su alta ganancia de voltaje.

Conjunto– transistores con resistencias combinadas u otros transistores en una carcasa. Sirven para diversos fines, pero principalmente para aumentar la ganancia actual.

Subtipos:

Biotransistores– se basan en polímeros biológicos que pueden utilizarse en medicina y biotecnología sin dañar los organismos vivos. Se han realizado estudios sobre metaloproteínas, clorofila A (derivada de la espinaca) y virus del mosaico del tabaco.

Transistores de un solo electrón– fueron creados por primera vez por científicos rusos en 1996. Podían funcionar a temperatura ambiente, a diferencia de sus predecesores. El principio de funcionamiento es similar al de un transistor de efecto de campo, pero más sutil. El transmisor de la señal es uno o más electrones. Este transistor también se llama transistor nano y cuántico. Usando esta tecnología, en el futuro esperan crear transistores con un tamaño menos de 10 nm, Residencia en grafeno.

¿Para qué se utilizan los transistores?

Los transistores se utilizan en circuitos de amplificación, lámparas, motores electricos y otros dispositivos donde se requieren cambios rápidos en la corriente o la posición enapagado. El transistor puede limitar la corriente o suavemente, o por el método legumbres—pausa. El segundo se usa más a menudo para control. Utilizando una poderosa fuente de energía, la conduce a través de sí misma, regulándola con una corriente débil.

Si la corriente no es suficiente para encender el circuito del transistor, utilice varios transistores con mayor sensibilidad, conectados en forma de cascada.

En amplificadores totalmente digitales basados ​​​​en se utilizan potentes transistores conectados en uno o más paquetes. A menudo necesitan enfriamiento adicional. En la mayoría de los esquemas, trabajan en modo clave(en modo de conmutación).

También se utilizan transistores. en sistemas de energía, tanto digitales como analógicos ( placas base, tarjetas de video, fuentes de alimentación&etc).

Central procesadores, también constan de millones y miles de millones de transistores, conectados en un orden determinado para aplicaciones especializadas. cálculos.

Cada grupo de transistores codifica la señal de una manera determinada y la transmite para su procesamiento. todos los tipos y memoria de sólo lectura Las memorias también constan de transistores.

Todo logros de la microelectrónica sería prácticamente imposible sin la invención y el uso de transistores. Es difícil imaginar al menos un dispositivo electrónico sin al menos un transistor.

Transistor (transistor, inglés) es un triodo fabricado a partir de materiales semiconductores, con tres salidas, cuya propiedad principal es controlar una corriente significativa en la salida del circuito con una señal de entrada relativamente baja. Los transistores de efecto de campo se utilizan en componentes de radio a partir de los cuales se ensamblan dispositivos eléctricos modernos y complejos. Sus propiedades permiten solucionar problemas de apagar o encender la corriente en el circuito eléctrico de una placa de circuito impreso, o amplificarla.

¿Qué es un transistor de efecto de campo?

Un transistor de efecto de campo es un dispositivo con tres o cuatro contactos en el que La corriente en dos contactos es ajustable. voltaje del campo eléctrico en el tercero. Por eso se llaman de campo.

Contactos:

Un transistor de efecto de campo con unión n-p es un tipo especial de transistor que sirve para el control actual.

Se diferencia de uno simple y ordinario en que la corriente lo atraviesa sin cruzar la zona de unión p-n, la zona formada en los límites de estas dos zonas. El tamaño de la zona p-n es ajustable.

Transistores de efecto de campo, sus tipos.

Los transistores de efecto de campo con unión n-p se dividen en clases:

1. Por tipo de canal conductor: n o r. El signo, la polaridad, de la señal de control depende del canal. Debería tener el signo opuesto a la zona n.
2. Según la estructura del dispositivo: difuso, aleado a lo largo de la unión p-n, con obturador, de película delgada.
3. Por número de contactos: 3 y 4 pines. En el caso de un dispositivo de 4 pines, el sustrato también actúa como puerta.
4. Según los materiales utilizados: germanio, silicio, arseniuro de galio.

Las clases se dividen según el principio de funcionamiento:

• dispositivo controlado por unión p-n;
• puerta aislada o dispositivo de barrera Schottky.

Transistor de efecto de campo, principio de funcionamiento.

De forma sencilla, cómo funciona un transistor de efecto de campo con una unión p-n de control se puede decir de la siguiente manera: el componente de radio consta de dos zonas: unión p y unión n. La corriente eléctrica fluye por la zona n. La zona p es una zona superpuesta, una especie de válvula. Si lo presionas fuerte, bloquea el área para el paso actual y pasa menos. O, si se reduce la presión, pasarán más. Esta presión se realiza aumentando el voltaje en el contacto de la compuerta ubicado en la zona del río.

Un dispositivo con una unión de canal p-n de control es una oblea semiconductora con una conductividad eléctrica de uno de estos tipos. Los contactos están conectados a los extremos de la placa: drenaje y fuente, en el medio hay un contacto de puerta. El funcionamiento del dispositivo se basa en la variabilidad del espesor del espacio de unión p-n. Dado que casi no hay operadores de carga móvil en la región de bloqueo, es la conductividad es cero. En la oblea semiconductora se crea un canal conductor de corriente en una zona no afectada por la capa de bloqueo. Cuando se aplica un voltaje negativo con respecto a la fuente, se crea un flujo en la puerta a través del cual salen los portadores de carga.

En el caso de una puerta aislada, tiene una fina capa de dieléctrico. Este tipo de dispositivo Funciona según el principio del campo eléctrico.. Una pequeña cantidad de electricidad es suficiente para destruirlo. Por lo tanto, para protegerse contra el voltaje estático, que puede alcanzar miles de voltios, se crean carcasas especiales para dispositivos que ayudan a minimizar el impacto de la electricidad viral.

¿Por qué necesitas un transistor de efecto de campo?

Considerando el funcionamiento de equipos electrónicos complejos, como el funcionamiento de un transistor de efecto de campo (como uno de los componentes de un circuito integrado), es difícil imaginar que direcciones principales de su trabajo cinco:

1. Amplificadores de alta frecuencia.
2. Amplificadores de bajo.
3. Modulación.
4. Amplificadores de CC.
5. Dispositivos clave (interruptores).

Usando un ejemplo simple, el funcionamiento de un transistor, como un interruptor, puede imaginarse como si estuviera dispuesto un micrófono con una bombilla. El micrófono capta el sonido, que genera una corriente eléctrica. Va a un transistor de efecto de campo bloqueado. Por su presencia, la corriente enciende el dispositivo, enciende el circuito eléctrico al que está conectada la bombilla. La luz se enciende cuando el micrófono capta sonido, pero se enciende debido a una fuente de alimentación que no está conectada al micrófono y es más potente.

Modulación aplicada para controlar la señal de información. La señal controla la frecuencia de la oscilación. La modulación se utiliza para señales de audio de alta calidad en radio, para transmitir audio en transmisiones de televisión, transmisiones en color y señales de televisión de alta calidad. Se utiliza allí donde se requiere trabajar con material de alta calidad.

como un amplificador un transistor de efecto de campo funciona de forma simplificada: gráficamente, cualquier señal, en particular una serie de audio, se puede representar como una línea discontinua, donde su longitud es el tiempo y la altura de las interrupciones es la frecuencia del sonido. Para amplificar el sonido, se suministra un potente voltaje al componente de radio, que adquiere las frecuencias necesarias, pero con valores más altos, debido al suministro de una señal débil al contacto de control. En otras palabras, el dispositivo vuelve a dibujar proporcionalmente la línea original, pero con valores máximos más altos.

Aplicación de transistores de efecto de campo.

El primer dispositivo que salió a la venta utilizando un transistor de efecto de campo con una unión pn de control fue audífono. Su aparición se registró en los años cincuenta del siglo pasado. A escala industrial se utilizaron en centrales telefónicas.

En el mundo moderno, se utilizan dispositivos. en toda la ingeniería eléctrica. Debido al pequeño tamaño y la variedad de características del transistor de efecto de campo, se puede encontrar en electrodomésticos de cocina, equipos de audio y televisión, computadoras y juguetes electrónicos para niños. Se utilizan en sistemas de alarma tanto de mecanismos de seguridad como de alarmas contra incendios.

Los equipos de transistores se utilizan en las fábricas. para reguladores de potencia de máquinas. En el transporte, desde el funcionamiento de equipos en trenes y locomotoras, hasta los sistemas de inyección de combustible de los turismos particulares. En vivienda y servicios comunales, desde sistemas de despacho hasta sistemas de control de alumbrado público.

Una de las aplicaciones más importantes de los transistores es producción de procesadores. De hecho, todo el procesador consta de muchos componentes de radio en miniatura. Pero cuando pasan a frecuencias operativas superiores a 1,5 GHz, comienzan a consumir energía como una avalancha. Por lo tanto, los fabricantes de procesadores han optado por el camino de los núcleos múltiples en lugar de aumentar las velocidades de reloj.

Pros y contras de los transistores de efecto de campo.

Transistores de efecto de campo con sus características. dejó muy atrás a otras especies dispositivos. Se utilizan ampliamente en circuitos integrados como interruptores.

• una cascada de piezas consume poca energía;
• la ganancia es mayor que la de otras especies;
• la alta inmunidad al ruido se logra mediante la ausencia de flujo de corriente en la puerta;
• mayor velocidad de encendido y apagado: pueden funcionar a frecuencias inaccesibles para otros transistores.

• temperatura de destrucción más baja que otras especies;
• a una frecuencia de 1,5 GHz, el consumo de energía comienza a aumentar considerablemente;
• Sensibilidad a la electricidad estática.

Las características de los materiales semiconductores, tomados como base para los transistores de efecto de campo, hicieron posible utilizar dispositivos en la vida cotidiana y en la producción. Sobre la base de transistores, los electrodomésticos se crearon en una forma familiar para la gente moderna. Procesar señales de alta calidad, producir procesadores y otros componentes de alta precisión es imposible sin los logros de la ciencia moderna.

El principio del control de la corriente eléctrica por semiconductores se conoció a principios del siglo XX. Aunque los ingenieros electrónicos sabían cómo funcionaba el transistor, continuaron diseñando dispositivos basados ​​en tubos de vacío. La razón de tal desconfianza hacia los triodos semiconductores fue la imperfección de los primeros transistores punto-punto. La familia de transistores de germanio no tenía características estables y dependía en gran medida de las condiciones de temperatura.

Los transistores monolíticos de silicio comenzaron a competir seriamente con los tubos de vacío recién a finales de los años 50. Desde entonces, la industria electrónica comenzó a desarrollarse rápidamente y los triodos semiconductores compactos reemplazaron activamente a las lámparas de alto consumo energético de los circuitos de dispositivos electrónicos. Con la llegada de los circuitos integrados, donde el número de transistores puede llegar a miles de millones, la electrónica semiconductora ha obtenido una victoria aplastante en la lucha por miniaturizar los dispositivos.

¿Qué es un transistor?

En su significado moderno, un transistor es un elemento de radio semiconductor diseñado para cambiar los parámetros de una corriente eléctrica y controlarla. Un triodo semiconductor convencional tiene tres terminales: una base, que recibe señales de control, un emisor y un colector. También existen transistores compuestos de alta potencia.

La escala de tamaño de los dispositivos semiconductores es sorprendente: desde varios nanómetros (elementos no empaquetados utilizados en microcircuitos) hasta centímetros de diámetro para transistores de alta potencia destinados a centrales eléctricas y equipos industriales. Los voltajes inversos de los triodos industriales pueden alcanzar hasta 1000 V.

Dispositivo

Estructuralmente, el triodo consta de capas semiconductoras encerradas en una carcasa. Los semiconductores son materiales a base de silicio, germanio, arseniuro de galio y otros elementos químicos. Hoy en día se realizan investigaciones para preparar ciertos tipos de polímeros, e incluso nanotubos de carbono, para el papel de materiales semiconductores. Al parecer, en un futuro próximo conoceremos nuevas propiedades de los transistores de efecto de campo de grafeno.

Anteriormente, los cristales semiconductores estaban ubicados en cajas metálicas en forma de tapas con tres patas. Este diseño era típico de los transistores punto-punto.

Hoy en día, los diseños de la mayoría de los dispositivos semiconductores planos, incluidos los de silicio, se fabrican a base de un solo cristal dopado en determinadas partes. Se prensan en cajas de plástico, metal-vidrio o metal-cerámica. Algunos de ellos tienen placas metálicas que sobresalen para la disipación del calor, que están unidas a los radiadores.

Los electrodos de los transistores modernos están dispuestos en una fila. Esta disposición de las patas es conveniente para el montaje automático de tableros. Los terminales no están marcados en las carcasas. El tipo de electrodo se determina a partir de libros de referencia o mediante mediciones.

Para los transistores se utilizan cristales semiconductores con diferentes estructuras, como p-n-p o n-p-n. Se diferencian en la polaridad del voltaje en los electrodos.

Esquemáticamente, la estructura de un transistor se puede representar como dos diodos semiconductores separados por una capa adicional. (Ver Figura 1). Es la presencia de esta capa la que le permite controlar la conductividad del triodo semiconductor.

Arroz. 1. Estructura de los transistores

La Figura 1 muestra esquemáticamente la estructura de los triodos bipolares. También existe una clase de transistores de efecto de campo, que se analizarán a continuación.

Principio de funcionamiento básico

En reposo, no fluye corriente entre el colector y el emisor de un triodo bipolar. La corriente eléctrica se evita mediante la resistencia de la unión del emisor, que surge como resultado de la interacción de las capas. Para encender el transistor, es necesario aplicar un pequeño voltaje a su base.

La Figura 2 muestra un diagrama que explica el principio de funcionamiento de un triodo.

Arroz. 2. Principio de funcionamiento

Controlando las corrientes base, puede encender y apagar el dispositivo. Si se aplica una señal analógica a la base, cambiará la amplitud de las corrientes de salida. En este caso, la señal de salida repetirá exactamente la frecuencia de oscilación en el electrodo base. En otras palabras, la señal eléctrica recibida en la entrada será amplificada.

Por tanto, los triodos semiconductores pueden funcionar en modo de conmutación electrónica o en modo de amplificación de señal de entrada.

El funcionamiento del dispositivo en modo llave electrónica se puede entender en la Figura 3.

Arroz. 3. Triodo en modo interruptor

Designación en diagramas.

Designación común: "VT" o "Q", seguido de un índice posicional. Por ejemplo, VT 3. En diagramas anteriores puede encontrar designaciones obsoletas: "T", "PP" o "PT". El transistor se representa como líneas simbólicas que indican los electrodos correspondientes, rodeados o no. La dirección de la corriente en el emisor se indica con una flecha.

La Figura 4 muestra un circuito ULF en el que los transistores se designan de una manera nueva, y la Figura 5 muestra imágenes esquemáticas de diferentes tipos de transistores de efecto de campo.

Arroz. 4. Ejemplo de un circuito ULF que utiliza triodos

Tipos de transistores

Según su principio de funcionamiento y estructura, los triodos semiconductores se distinguen:

• campo;
• bipolar;
• conjunto.

Estos transistores realizan las mismas funciones, pero existen diferencias en el principio de funcionamiento.

Campo

Este tipo de triodo también se llama unipolar debido a sus propiedades eléctricas: transportan corriente de una sola polaridad. Según su estructura y tipo de control, estos dispositivos se dividen en 3 tipos:

1. Transistores con unión p-n de control (Fig. 6).
2. Con cancela aislada (disponible con canal incorporado o inducido).
3. MIS, con estructura: metal-dieléctrico-conductor.

Una característica distintiva de una puerta aislada es la presencia de un dieléctrico entre ella y el canal.

Las piezas son muy sensibles a la electricidad estática.

Los circuitos de triodos de campo se muestran en la Figura 5.

Arroz. 5. Transistores de efecto de campo
Arroz. 6. Foto de un triodo de efecto de campo real.

Preste atención a los nombres de los electrodos: drenaje, fuente y compuerta.

Los transistores de efecto de campo consumen muy poca energía. Pueden funcionar durante más de un año con una batería pequeña o una batería recargable. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en dispositivos electrónicos modernos como controles remotos, dispositivos móviles, etc.

Bipolar

Mucho se ha dicho sobre este tipo de transistor en la subsección "Principio básico de funcionamiento". Sólo notemos que el dispositivo recibió el nombre de "Bipolar" debido a su capacidad de pasar cargas de signos opuestos a través de un canal. Su característica es la baja impedancia de salida.

Los transistores amplifican señales y actúan como dispositivos de conmutación. Se puede conectar una carga bastante potente al circuito colector. Debido a la alta corriente del colector, se puede reducir la resistencia de carga.

Veamos la estructura y el principio de funcionamiento con más detalle a continuación.

Conjunto

Para lograr ciertos parámetros eléctricos mediante el uso de un elemento discreto, los desarrolladores de transistores inventan diseños combinados. Entre ellos se encuentran:

• con resistencias integradas y su circuito;
• combinaciones de dos triodos (estructuras iguales o diferentes) en un paquete;
• diodos lambda: una combinación de dos triodos de efecto de campo que forman una sección con resistencia negativa;
• diseños en los que un triodo de efecto de campo con una puerta aislada controla un triodo bipolar (utilizado para controlar motores eléctricos).

Los transistores combinados son, de hecho, un microcircuito elemental en un solo paquete.

¿Cómo funciona un transistor bipolar? Instrucciones para tontos

El funcionamiento de los transistores bipolares se basa en las propiedades de los semiconductores y sus combinaciones. Para comprender el principio de funcionamiento de los triodos, comprendamos el comportamiento de los semiconductores en los circuitos eléctricos.

Semiconductores.

Algunos cristales, como el silicio, el germanio, etc., son dieléctricos. Pero tienen una característica: si se les añaden ciertas impurezas, se convierten en conductores con propiedades especiales.

Algunos aditivos (donantes) conducen a la aparición de electrones libres, mientras que otros (aceptores) crean "agujeros".

Si, por ejemplo, se dopa silicio con fósforo (donante), obtenemos un semiconductor con exceso de electrones (estructura n-Si). Al añadir boro (un aceptor), el silicio dopado se convertirá en un semiconductor conductor de huecos (p-Si), es decir, su estructura estará dominada por iones cargados positivamente.

Conducción unidireccional.

Realicemos un experimento mental: conectemos dos tipos diferentes de semiconductores a una fuente de energía y suministremos corriente a nuestro diseño. Algo inesperado sucederá. Si conecta el cable negativo a un cristal tipo n, el circuito se completará. Sin embargo, cuando invertimos la polaridad, no habrá electricidad en el circuito. ¿Por qué sucede esto?

Como resultado de conectar cristales con diferentes tipos de conductividad, se forma entre ellos una región con una unión p-n. Algunos electrones (portadores de carga) de un cristal de tipo n fluirán hacia un cristal con conductividad de huecos y recombinarán los huecos en la zona de contacto.

Como resultado, surgen cargas no compensadas: en la región de tipo n, de iones negativos y en la región de tipo p, de iones positivos. La diferencia de potencial alcanza valores de 0,3 a 0,6 V.

La relación entre voltaje y concentración de impurezas se puede expresar mediante la fórmula:

φ= VT*en( nn* Notario público)/n 2 i , donde

VT – valor de la tensión termodinámica, nn Y Notario público – la concentración de electrones y huecos, respectivamente, y n i denota la concentración intrínseca.

Al conectar un positivo a un conductor p y un negativo a un semiconductor tipo n, las cargas eléctricas superarán la barrera, ya que su movimiento se dirigirá contra el campo eléctrico dentro de la unión p-n. En este caso, la transición está abierta. Pero si se invierten los polos, la transición quedará cerrada. De ahí la conclusión: la unión p-n forma una conductividad unidireccional. Esta propiedad se utiliza en el diseño de diodos.

Del diodo al transistor.

Compliquemos el experimento. Agreguemos otra capa entre dos semiconductores con las mismas estructuras. Por ejemplo, entre las obleas de silicio tipo p insertamos una capa conductora (n-Si). No es difícil adivinar lo que sucederá en las zonas de contacto. Por analogía con el proceso descrito anteriormente, se forman regiones con uniones p-n que bloquearán el movimiento de cargas eléctricas entre el emisor y el colector, independientemente de la polaridad de la corriente.

Lo más interesante sucederá cuando apliquemos un ligero voltaje a la capa (base). En nuestro caso aplicaremos una corriente con signo negativo. Como en el caso de un diodo, se forma un circuito base-emisor a través del cual fluirá la corriente. Al mismo tiempo, la capa comenzará a saturarse de agujeros, lo que provocará una conducción de agujeros entre el emisor y el colector.

Mire la Figura 7. Muestra que los iones positivos han llenado todo el espacio de nuestra estructura condicional y ahora nada interfiere con la conducción de corriente. Hemos obtenido un modelo visual de un transistor bipolar con estructura p-n-p.

Arroz. 7. Principio de funcionamiento del triodo.

Cuando se desenergiza la base, el transistor vuelve muy rápidamente a su estado original y la unión del colector se cierra.

El dispositivo también puede funcionar en modo amplificación.

La corriente del colector es directamente proporcional a la corriente de la base. : IA= ß* IB , Dónde ß – ganancia actual, IB – corriente base.

Si cambia el valor de la corriente de control, la intensidad de la formación de agujeros en la base cambiará, lo que implicará un cambio proporcional en la amplitud del voltaje de salida, manteniendo la frecuencia de la señal. Este principio se utiliza para amplificar señales.

Aplicando pulsos débiles a la base, en la salida obtenemos la misma frecuencia de amplificación, pero con una amplitud mucho mayor (fijada por el voltaje aplicado al circuito colector-emisor).

Los transistores NPN funcionan de manera similar. Sólo cambia la polaridad de los voltajes. Los dispositivos con estructura n-p-n tienen conductividad directa. Los transistores del tipo pnp tienen conductividad inversa.

Queda por añadir que el cristal semiconductor reacciona de forma similar al espectro de luz ultravioleta. Al activar y desactivar el flujo de fotones, o ajustar su intensidad, se puede controlar el funcionamiento de un triodo o cambiar la resistencia de una resistencia semiconductora.

Circuitos de conexión de transistores bipolares.

Los diseñadores de circuitos utilizan los siguientes esquemas de conexión: con una base común, electrodos emisores comunes y conexión con un colector común (Fig. 8).

Arroz. 8. Diagramas de conexión para transistores bipolares.

Los amplificadores con base común se caracterizan por:

• baja impedancia de entrada, que no supera los 100 ohmios;
• buenas propiedades de temperatura y características de frecuencia del triodo;
• alto voltaje permitido;
• Se requieren dos fuentes de energía diferentes.

Los circuitos emisores comunes tienen:

• alta ganancia de corriente y voltaje;
• baja ganancia de potencia;
• inversión del voltaje de salida con respecto a la entrada.

Con esta conexión, una fuente de alimentación es suficiente.

El diagrama de conexión basado en el principio del “colector común” proporciona:

• alta resistencia de entrada y baja resistencia de salida;
• factor de ganancia de bajo voltaje (< 1).

¿Cómo funciona un transistor de efecto de campo? Explicación para tontos

La estructura de un transistor de efecto de campo se diferencia de uno bipolar en que la corriente que contiene no cruza la zona de unión p-n. Las cargas se mueven a través de un área controlada llamada puerta. El rendimiento de la puerta está controlado por voltaje.

El espacio de la zona p-n disminuye o aumenta bajo la influencia del campo eléctrico (ver Fig. 9). El número de soportes gratuitos cambia en consecuencia: desde la destrucción total hasta la saturación extrema. Como resultado de este efecto en la puerta, se regula la corriente en los electrodos de drenaje (contactos que emiten la corriente procesada). La corriente entrante fluye a través de los contactos de la fuente.

Figura 9. Transistor de efecto de campo con unión p-n

Los triodos de campo con canales incorporados e inducidos funcionan según un principio similar. Viste sus diagramas en la Figura 5.

Circuitos de conexión de transistores de efecto de campo.

En la práctica, los diagramas de conexión se utilizan por analogía con un triodo bipolar:

• con una fuente común: produce una gran ganancia de corriente y potencia;
• los circuitos de compuerta comunes proporcionan baja impedancia de entrada y baja ganancia (tienen uso limitado);
• Circuitos de drenaje común que funcionan de la misma manera que los circuitos de emisor común.

La Figura 10 muestra varios esquemas de conexión.

Arroz. 10. Imagen de diagramas de conexión del triodo de campo.

Casi todos los circuitos son capaces de funcionar con voltajes de entrada muy bajos.

Vídeos que explican el principio de funcionamiento del transistor en un lenguaje sencillo.

Convencionalmente, un transistor bipolar se puede dibujar en forma de placa semiconductora con regiones cambiantes de diferente conductividad, que consta de dos uniones p-n. Además, las regiones exteriores de la placa tienen un tipo de conductividad y la región media tiene el tipo opuesto; cada región tiene su propia salida personal.

Dependiendo de la alternancia de estas áreas, los transistores tienen conductividad p-n-p y n-p-n, respectivamente.

Y si tomamos y cubrimos cualquier parte del transistor, obtenemos un semiconductor con una unión pn o un diodo. Esto sugiere la conclusión de que un transistor bipolar se puede representar convencionalmente como dos semiconductores con una zona común, conectados espalda con espalda.

La parte del transistor, cuya finalidad es inyectar portadores de carga en la base, se denomina emisor, y la unión p-n correspondiente es emisor, y la parte del elemento, cuya finalidad es eliminar o extraer carga. portadores de la base, se llama colector, y la unión p-n es el colector. El área general se llamó base.

La diferencia en las designaciones de diferentes estructuras está solo en la dirección de la flecha del emisor: en p-n-p se dirige hacia la base, y en n-p-n, por el contrario, lejos de la base.

¿Cuál es la diferencia entre transistores PNP y NPN? En este video intenté mostrar la diferencia en el funcionamiento de dos tipos de transistores bipolares. Utilicé componentes de radio fácilmente disponibles, como un LED (y una resistencia de protección) para demostrar el funcionamiento. Por ejemplo, utilicé transistores como 2n2907 y bc337. Regulé el voltaje usando una resistencia variable (potenciómetro).

En el período inicial de desarrollo de la electrónica semiconductora, se fabricaban únicamente a partir de germanio mediante la tecnología de fusión de impurezas, por lo que se les llamaba aleaciones. Por ejemplo, la base es un cristal de germanio y en él derrito pequeños trozos de indio.

Los átomos de indio penetran en el cuerpo de un cristal de germanio, creando en él dos regiones: un colector y un emisor. Entre ellos queda una capa muy fina de unas pocas micras de semiconductor del tipo opuesto: la base. Y para ocultar el cristal de la luz, se esconde en una carcasa.

La figura muestra que un soporte de cristal está soldado al disco de metal, que es la salida de la base, y en la parte inferior del disco está su salida de cable exterior.

Los terminales internos del colector y emisor están soldados a los conductores de los electrodos externos.

Con el desarrollo de la electrónica, comenzaron a procesar cristales de silicio e inventaron dispositivos de silicio que eliminaron casi por completo los transistores de germanio.

Son capaces de funcionar a temperaturas más altas, tienen una corriente inversa más baja y un voltaje de ruptura más alto.

El principal método de fabricación es la tecnología plana. Para tales transistores, las uniones p-n están ubicadas en el mismo plano. El principio del método se basa en la difusión o fusión de una impureza en una oblea de silicio, que puede estar en un componente gaseoso, líquido o sólido. Cuando se calientan a una temperatura estrictamente fija, los elementos impuros se difunden en el silicio.

En este caso, una de las bolas crea una región de base delgada y la otra crea una región de emisor. Como resultado, se forman dos uniones p-n en el silicio. Con esta tecnología, se producen en las fábricas los tipos más comunes de transistores de silicio.

Además, los métodos combinados se utilizan ampliamente para la fabricación de estructuras de transistores: fusión y difusión o varias opciones de difusión, por ejemplo, bilateral o bilateral.

Hagamos un experimento práctico, para ello necesitaremos cualquier transistor y una bombilla incandescente de una linterna vieja y un poco de cable de montaje para poder montar este circuito.

Experiencia práctica de operación de transistores para principiantes

La bombilla se enciende porque se aplica un voltaje de polarización directa a la unión del colector, lo que desbloquea la unión del colector y la corriente del colector Ik fluye a través de ella. Su valor depende de la resistencia del filamento de la lámpara y de la resistencia interna de la batería o fuente de alimentación.

Ahora presentemos este diagrama en forma estructural:

Dado que en la región N los principales portadores de carga son los electrones, atraviesan la barrera de potencial de la unión p-n, ingresan a la región de los huecos tipo p y se convierten en portadores de carga minoritarios, donde comienzan a ser absorbidos por los portadores mayoritarios por los huecos. De la misma manera, los agujeros del colector tienden a llegar a la zona de la base y son absorbidos por los principales portadores de carga, los electrones.

Dado que la base está al lado negativo de la fuente de energía, muchos electrones fluirán hacia ella, compensando las pérdidas del área de la base. Y el colector, conectado al plus a través del filamento de la lámpara, es capaz de recibir el mismo número, por lo que se restablecerá la concentración de agujeros.

La conductividad de la unión pn aumentará significativamente y la corriente del colector comenzará a fluir a través de la unión del colector. yo. Y cuanto más alto sea, más fuerte arderá la bombilla incandescente.

Procesos similares ocurren en el circuito de unión del emisor. La figura muestra la opción de conexión del circuito para el segundo experimento.

Realicemos otro experimento práctico y conectemos la base del transistor al plus de la fuente de alimentación. La bombilla no se enciende, ya que conectamos la unión p-n del transistor en la dirección opuesta y la resistencia de la unión aumentó bruscamente y solo fluye a través de ella una corriente de colector inversa Ikbo muy pequeña, que no es capaz de encender la luz. filamento de la bombilla.

Hagamos otro experimento interesante: conecte una bombilla como se muestra en la imagen. La luz no se enciende, averigüemos por qué.

Si se aplica voltaje al emisor y al colector, entonces, para cualquier polaridad de la fuente de energía, una de las transiciones será directa y la otra inversa y, por lo tanto, no fluirá corriente y la bombilla no se encenderá.

Del diagrama de bloques queda muy claro que la unión del emisor está polarizada directamente y abierta y espera la recepción de electrones libres. La unión del colector, por el contrario, está conectada en dirección opuesta e impide que los electrones entren en la base. Se forma una barrera de potencial entre el colector y la base, lo que proporcionará una gran resistencia a la corriente y la lámpara no encenderá.

Agreguemos solo un puente a nuestro circuito, que conectará el emisor y la base, pero la bombilla aún no se enciende.

Aquí, en principio, todo está claro: cuando la base y el emisor se cortocircuitan con un puente, la unión del colector se convierte en un diodo, que recibe un voltaje de polarización inversa.

En lugar del puente, instalemos una resistencia Rb con un valor nominal de 200 - 300 ohmios y otra fuente de alimentación de 1,5 voltios. Conectamos su menos a través de Rb a la base y su más al emisor. Y ocurrió un milagro, se encendió la bombilla.

La lámpara se encendió porque conectamos una fuente de energía adicional entre la base y el emisor, y así aplicamos voltaje directo a la unión del emisor, lo que provocó su apertura y una corriente continua que fluyó a través de ella, lo que desbloquea la unión del colector del transistor. El transistor se abre y a través de él fluye una corriente de colector Ik, muchas veces mayor que la corriente de la base del emisor. Y entonces esta corriente encendió la bombilla.

Si cambiamos la polaridad de la fuente de alimentación adicional y aplicamos más a la base, entonces la unión del emisor se cerrará, seguida de la unión del colector. Ikbo inverso fluirá a través del transistor y la bombilla dejará de encenderse.

La función principal de la resistencia Rb es limitar la corriente en el circuito base. Si se suministran los 1,5 voltios a la base, fluirá demasiada corriente a través de la unión, como resultado de lo cual se producirá una ruptura térmica de la unión y el transistor puede quemarse. Para los transistores de germanio, el voltaje de la puerta debe ser de aproximadamente 0,2 voltios y para los de silicio, de 0,7 voltios.

Pasemos al diagrama de bloques: cuando se aplica voltaje adicional a la base, la unión del emisor se abre y los agujeros libres del emisor se absorben mutuamente con los electrones de la base, creando una corriente de base directa Ib.

Pero no todos los huecos que entran en la base se recombinan con electrones. Dado que el área de la base es bastante estrecha, los electrones de la base sólo absorben una pequeña parte de los huecos.

El volumen principal de los orificios del emisor salta la base y cae bajo un nivel más alto de voltaje negativo en el colector, y junto con los orificios del colector fluyen hacia su terminal negativo, donde son absorbidos mutuamente por los electrones de la fuente de energía principal GB. La resistencia del circuito colector emisor-base-colector cae bruscamente y en él comienza a fluir una corriente directa de colector Ik, muchas veces mayor que la corriente base Ib del circuito emisor-base.

Cuanto mayor sea el nivel de voltaje de desbloqueo en la base, mayor será el número de orificios desde el emisor hasta la base y mayor será el valor de la corriente en el colector. Y, a la inversa, cuanto menor sea el voltaje de desbloqueo en la base, menor será la corriente en el circuito colector.

En estos experimentos realizados por un radioaficionado novato sobre los principios de funcionamiento de un transistor, éste se encuentra en uno de dos estados: abierto o cerrado. Su cambio de un estado a otro se realiza bajo la acción de un voltaje de desbloqueo en la base Ub. Este modo de funcionamiento de un transistor en electrónica se denomina modo clave. Se utiliza en instrumentos y dispositivos de automatización.

En modo de amplificación, el amplificador de transistores opera en circuitos receptores y amplificadores de audiofrecuencia (USF y ULF). Durante la operación, se utilizan pequeñas corrientes en el circuito base, que controlan grandes corrientes en el colector. Esta es la diferencia entre el modo de amplificación y el modo de conmutación, que solo abre o cierra el transistor dependiendo del voltaje en la base.

Un transistor es un componente de radio activo muy común que se encuentra en casi todos los circuitos y, muy a menudo, especialmente durante los cursos experimentales sobre el aprendizaje de los conceptos básicos de la electrónica, falla. Por lo tanto, sin la habilidad de verificar transistores, es mejor no inmiscuirse en la electrónica. Entonces, descubramos cómo verificar el transistor.