Impedancia de entrada de un transistor bipolar. Transistor PNP: diagrama de conexión. ¿Cuál es la diferencia entre transistores PNP y NPN? ¿Cómo funciona un transistor?

Tal vez sea difícil imaginar hoy mundo moderno sin transistores, en casi cualquier aparato electrónico, desde radios y televisores hasta automóviles, teléfonos y computadoras, se usan de una forma u otra.

Hay dos tipos de transistores: bipolar Y campo. Los transistores bipolares están controlados por corriente, no por voltaje. Hay estructuras de alta y baja potencia, de alta y de baja frecuencia, p-n-p y n-p-n... Los transistores están disponibles en diferentes paquetes y son diferentes tamaños, que van desde chips SMD (en realidad hay mucho menos que un chip) que están diseñados para montaje en superficie, hasta transistores muy potentes. Basado en la disipación de potencia, baja potencia de hasta 100 mW, potencia promedio de 0,1 a 1 W y transistores potentes más de 1W.

Cuando la gente habla de transistores, normalmente se refiere a transistores bipolares. Los transistores bipolares están hechos de silicio o germanio. Se llaman bipolares porque su trabajo se basa en el uso tanto de electrones como de huecos como portadores de carga. Los transistores en los diagramas se designan de la siguiente manera:

Una de las regiones más externas de la estructura del transistor se llama emisor. La región intermedia se llama base y la otra región extrema se llama colector. Estos tres electrodos forman dos uniones p-n: entre la base y el colector - el colector, y entre la base y el emisor - el emisor. Al igual que un interruptor normal, un transistor puede estar en dos estados: "encendido" y "apagado". Pero esto no significa que tengan partes móviles o mecánicas; cambian de apagado a encendido y viceversa mediante señales eléctricas.

Los transistores están diseñados para amplificar, convertir y generar. vibraciones electricas. El funcionamiento de un transistor se puede ilustrar con el ejemplo de un sistema de plomería. Imagine un grifo en el baño, un electrodo del transistor es la tubería antes del grifo (mezclador), el otro (segundo) es la tubería después del grifo, por donde sale el agua, y el tercer electrodo de control es el grifo con el que abriremos el agua.
Se puede pensar en un transistor como dos diodos conectados en serie, en el caso de NPN los ánodos están conectados entre sí y en el caso de PNP los cátodos están conectados entre sí.

Los transistores se distinguen. tipos de PNP y NPN, transistores PNP abierto con voltaje de polaridad negativa, NPN - con polaridad positiva. En los transistores NPN, los principales portadores de carga son los electrones, y en los transistores PNP, los agujeros, que son menos móviles, respectivamente. Transistores NPN cambiar más rápido.

Uke = voltaje colector-emisor
Ube = voltaje base-emisor
Ic = corriente del colector
Ib = corriente base

Dependiendo de los estados en los que se encuentren las transiciones del transistor, se distinguen sus modos de funcionamiento. Dado que el transistor tiene dos transiciones (emisor y colector), cada uno de ellos puede estar en dos estados: 1) abierto 2) cerrado. Hay cuatro modos de funcionamiento del transistor. El modo principal es el modo activo, en el que la unión del colector está en estado cerrado y la unión del emisor está en estado abierto. Los transistores que funcionan en modo activo se utilizan en circuitos de amplificación. Además del modo activo, existe un modo inverso, en el que la unión del emisor está cerrada y la unión del colector está abierta, un modo de saturación, en el que ambas uniones están abiertas, y un modo de corte, en el que ambas uniones están cerradas.

Cuando un transistor funciona con señales de alta frecuencia, el tiempo de ocurrencia de los procesos principales (el tiempo de movimiento de los portadores desde el emisor al colector) se vuelve proporcional al período de cambio. señal de entrada. Como resultado, la capacidad del transistor para amplificar señales electricas empeora a medida que aumenta la frecuencia.

Algunos parámetros de los transistores bipolares.

Colector - emisor de tensión constante/pulsos.
Tensión colector-base constante.
Emisor de voltaje constante - base.
Frecuencia límite del coeficiente de transferencia de corriente base
Corriente de colector constante/pulsos.
Coeficiente de transferencia actual
Corriente máxima permitida
Impedancia de entrada
Disipación de energía.
Temperatura de la unión p-n.
Temperatura ambiente etc...

Estrés límite Ukeo gr. es la tensión máxima permitida entre el colector y el emisor, con el circuito base abierto y la corriente del colector. El voltaje en el colector es menor que el de Ukeo gr. característica de los modos de funcionamiento pulsados ​​del transistor con corrientes de base distintas de cero y las corrientes de base correspondientes (para transistores n-p-n la corriente de base es >0, y para p-n-p viceversa, Ib<0).

Los transistores bipolares pueden incluir transistores unijunción, como el KT117. Un transistor de este tipo es un dispositivo semiconductor de tres electrodos con una unión p-n. Un transistor unijunción consta de dos bases y un emisor.

Recientemente, los transistores compuestos se han utilizado a menudo en circuitos, se les llama transistores de par o Darlington, tienen un coeficiente de transferencia de corriente muy alto, constan de dos o más transistores bipolares, pero los transistores prefabricados también se producen en un solo paquete. como el TIP140. Se encienden con coleccionista común, si conecta dos transistores, funcionarán como uno solo, el encendido se muestra en la siguiente figura. El uso de la resistencia de carga R1 permite mejorar algunas características del transistor compuesto.

Algunas desventajas de un transistor compuesto: Bajo rendimiento, especialmente la transición del estado abierto al cerrado. La caída de voltaje directo a través de la unión base-emisor es casi el doble que la de un transistor convencional. Bueno, por supuesto, necesitarás más espacio en el tablero.

Comprobación de transistores bipolares

Dado que el transistor consta de dos uniones, cada una de las cuales es un diodo semiconductor, puedes probar el transistor de la misma manera que prueba un diodo. El transistor generalmente se verifica con un óhmetro; se verifican ambas uniones p-n del transistor: colector - base y emisor - base. Para verificar la resistencia directa de las transiciones p-n-p del transistor, el terminal negativo del óhmetro se conecta a la base y el terminal positivo del óhmetro se conecta alternativamente al colector y al emisor. Para comprobar la resistencia inversa de las uniones, el terminal positivo del óhmetro se conecta a la base. Al verificar los transistores n-p-n, la conexión se realiza a la inversa: la resistencia directa se mide cuando se conecta a la base del terminal positivo del óhmetro y la resistencia inversa se mide cuando se conecta a la base del terminal negativo. Los transistores también se pueden probar con un multímetro digital en modo de prueba de diodos. Para NPN, conectamos la sonda roja "+" del dispositivo a la base del transistor y, alternativamente, tocamos la sonda negra "-" con el colector y el emisor. El dispositivo debería mostrar cierta resistencia, aproximadamente de 600 a 1200. Luego cambiamos la polaridad de conexión de las sondas, en este caso el dispositivo no debería mostrar nada. Para una estructura PNP, el orden de verificación se invertirá.

Quiero decir algunas palabras sobre los transistores MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico), (Semiconductor de óxido metálico (MOS)): ¡estos son transistores de efecto de campo que no deben confundirse con los transistores de efecto de campo comunes! Los transistores de efecto de campo tienen tres terminales: G - puerta, D - drenaje, S - fuente. Hay canales N y canales P; en la designación de estos transistores hay un diodo Schottky, que pasa corriente de la fuente al drenaje y limita el voltaje drenaje-fuente.

Se utilizan principalmente para conmutar corrientes elevadas; no están controlados por corriente, como los transistores bipolares, sino por voltaje y, por regla general, tienen una resistencia de canal abierto muy baja; la resistencia del canal es constante y no depende de la corriente; actual. Los transistores MOSFET están diseñados especialmente para circuitos clave, se podría decir que reemplazan a un relé, pero en algunos casos también se pueden amplificar y se utilizan en potentes amplificadores de baja frecuencia;

Las ventajas de estos transistores son las siguientes:
Potencia de control mínima y alta ganancia de corriente.
Mejores características, como una velocidad de conmutación más rápida.
Resistente a grandes sobretensiones.
Los circuitos en los que se utilizan este tipo de transistores suelen ser más sencillos.

Contras:
Son más caros que los transistores bipolares.
Le tienen miedo a la electricidad estática.
Muy a menudo, los MOSFET con canal N se utilizan para conmutar circuitos de potencia. El voltaje de control debe exceder el umbral de 4 V; en general, se necesitan 10-12 V para encender de manera confiable el MOSFET. El voltaje de control es el voltaje aplicado entre la puerta y la fuente para encender el transistor MOSFET.

Los valores de la mayoría de los parámetros del transistor dependen del modo de funcionamiento real y de la temperatura, y al aumentar la temperatura, los parámetros del transistor pueden cambiar. El libro de referencia contiene, por regla general, dependencias típicas (promediadas) de los parámetros del transistor en corriente, voltaje, temperatura, frecuencia, etc.

Para garantizar un funcionamiento confiable de los transistores, es necesario tomar medidas que excluyan cargas eléctricas a largo plazo cercanas al máximo permitido, por ejemplo, no vale la pena reemplazar un transistor por uno similar pero de menor potencia, esto se aplica no solo a potencia, sino también a otros parámetros del transistor. En algunos casos, para aumentar la potencia, los transistores se pueden conectar en paralelo, con un emisor conectado a otro, un colector a otro y una base a base. Las sobrecargas pueden deberse a varios motivos, por ejemplo, por sobretensión. A menudo se utilizan diodos de alta velocidad para proteger contra la sobretensión.

En cuanto al calentamiento y sobrecalentamiento de los transistores, el régimen de temperatura de los transistores no sólo afecta el valor de los parámetros, sino que también determina la confiabilidad de su funcionamiento. Debe esforzarse por garantizar que el transistor no se sobrecaliente durante el funcionamiento; en las etapas de salida de los amplificadores, los transistores deben colocarse sobre radiadores grandes. Los transistores deben protegerse del sobrecalentamiento no solo durante el funcionamiento, sino también durante la soldadura. Al estañar y soldar, se deben tomar medidas para evitar el sobrecalentamiento del transistor; es aconsejable sujetar los transistores con pinzas durante la soldadura para protegerlos del sobrecalentamiento.

TRANSISTORES BIPOLARES

Un transistor bipolar es un dispositivo semiconductor que consta de tres regiones con tipos alternos de conductividad eléctrica y está diseñado para amplificar una señal.

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

Los transistores bipolares se pueden clasificar por material: germanio y silicio;por tipo de conductividad: tipo pnorte-r y norte- pag- norte; en términos de potencia: baja (Pbalancearse< 0,3 W), promedio (R balancearse= 1,5 W) y grande (Pbalancearse> 1,5 W); por frecuencia: baja frecuencia, media frecuencia, alta frecuencia y microondas.

En tales transistores, la corriente está determinada por el movimiento de portadores de carga de dos tipos: electrones y huecos. De ahí viene su nombre: bipolar.

transistores bipolares Es una placa de germanio o silicio en la que se crean tres regiones con diferentes conductividades eléctricas. Para tipo transistornorte-r- nortela región media tiene un agujero y las regiones exteriores tienen conductividad electrónica.

Transistores tipo p-norte-p tienen una región media con conductividad electrónica y las extremas con conductividad de huecos.

La región media del transistor se llama base, una región extrema es el emisor y la segunda es el colector. Por tanto, el transistor tiene dos pag- norte- transición: emisor - entre el emisor y la base y colector - entre la base y el colector.

El emisor es la zona del transistor destinada a inyectar portadores de carga en la base. Colector: un área cuyo propósito 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 portadores de carga mayoritarios en el emisor es muchas veces mayor que la concentración de los portadores mayoritarios.La carga en la base y en el colector es ligeramente menor que la concentración en el emisor. Por lo tanto, la conductividad del emisor es mucho mayor que la conductividad base y la conductividad del colector es menor que la conductividad del emisor.

Dependiendo de cuál de los terminales es común a los circuitos de entrada y salida, existen tres circuitos para encender el transistor: con base común(ACERCA DE), emisor común(OE), colector común (OK).

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.

El principio de funcionamiento de un transistor usando el ejemplo del transistor p-norte-p – tipo incluido en un circuito con base común (CB).

Tensiones externas de dos fuentes de alimentación EE y E.Aconectado al transistor de tal manera que la unión del emisor P1 esté polarizada en la dirección directa y la unión del colector P2 esté polarizada en la dirección opuesta.

Si se aplica voltaje inverso a la unión del colector y el circuito del emisor está abierto, entonces fluye una pequeña corriente inversa en el circuito del colector.Ico. Surge bajo la influencia de un voltaje inverso y se crea mediante el movimiento dirigido de portadores de carga minoritarios, orificios de base y electrones colectores a través de la unión del colector. La corriente inversa fluye a través del circuito: +EA, colector base, −EA.

Cuando se conecta al circuito emisor voltaje CC EE en la dirección de avance, la barrera 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 E ingresan a la base.A. Los agujeros que se recombinan con los electrones en la base crean una corriente de base.I B.

Bajo la influencia del voltaje inverso EA,la barrera potencial de la unión del colector aumenta y el espesor de la unión P2 aumenta. Los orificios que ingresan a la región de la unión del colector caen en el campo de aceleración creado en la unión por el voltaje del colector y son atraídos por el colector, creando una corriente de colector.IA. La corriente del colector fluye a través del circuito: +EA, colector base, -EA.

Así, en b ipolar Hay tres tipos de corriente que fluye por un transistor: emisor, colector y base.

En el cable, que es el terminal base, las corrientes del emisor y del colector se dirigen en direcciones opuestas. La corriente base es igual a la diferencia entre las corrientes del emisor y del colector:I B = I mi - I A.

Procesos físicos en un tipo de transistor.norte-r- norteproceder de manera similar a los procesos en un transistor tipo pnorte-r.

Corriente total del emisorIE 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.IA. Una pequeña porción 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 decirI mi = I B+ IA.

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 tensión de la fuente de alimentación del colector EAsignificativamente más que el emisor Eoh, entonces la potencia consumida en el circuito colector PA, será significativo más poder en el circuito emisor Poh. 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.

Circuitos de conmutación para transistores bipolares.

El transistor está incluido en el circuito de modo que uno de sus terminales 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, existen tres circuitos para conectar transistores: OB, OE y OK.. Para transistoresnorte-r- norteen los circuitos de conmutación, sólo cambia la polaridad de los voltajes y la dirección de las corrientes. Para cualquier circuito de conmutación de transistores, la polaridad de las fuentes de alimentación debe elegirse de manera que la unión del emisor se encienda en dirección directa y la unión del colector en dirección inversa.

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.

Características de un transistor conectado según el circuito OB.

I mi = F(Ud. EB) en Ud. KB = constante(A).

I k = F(Ud. KB) en I mi = constante(b).

Características estáticas de un transistor bipolar conectado según el circuito OB.Las características corriente-tensión de salida tienen tres áreas características: 1 – fuerte dependenciaIA de Ud.kb; 2 – dependencia débilIA de Ud.kb; 3 – avería de la unión del colector.Una característica de las características en la región 2 es su ligero aumento al aumentar el voltaje.Ud. KB.

Características de un transistor conectado según el circuito OE:

La característica de entrada es la dependencia:

I B = F(Ud. Derrotar Ud. CE = constante(b).

La característica de salida es la dependencia:

I k = F(Ud. CE) en I B = constante(A).

Modo de funcionamiento del transistor bipolar

Un 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 (tanto p-norte- los cruces están cerrados).

Si en ambas uniones el voltaje es directo (ambas p-norte- las transiciones están abiertas), entonces el transistor funciona en modo de saturación.En el modo de corte y en el modo de saturación, casi no hay control del transistor. En modo activo, dicho control se lleva a cabo de manera más eficiente y el transistor puede realizar las funciones de un elemento activo. diagrama electrico- amplificación, generación.

etapa amplificadora de transistores bipolares

El circuito más utilizado es el circuito de conmutación de transistores con un emisor común.Los elementos principales del circuito son la fuente de alimentación E.A, elemento controlado - transistorVermont y resistencia RA. Estos elementos forman el circuito 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.Otros elementos del circuito desempeñan un papel de apoyo. Condensador Cres separativo. En ausencia de este condensador en el circuito fuente de señal de entrada, un CORRIENTE CONTINUA. de la fuente de energía EA.

Resistor RB, incluido en el circuito base, asegura el funcionamiento del transistor en ausencia de una señal de entrada. El modo de reposo lo proporciona la corriente de base de reposoI B = mi A/ R B. Usando una resistenciaRASe crea voltaje de salida.RArealiza la función de crear un voltaje variable en el circuito de salida debido al flujo de corriente controlado a través del circuito base.

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

mi A= Ud.ke+ IARA,

suma de la caída de voltaje a través de la resistenciaRk y voltaje colector-emisorUd.keEl transistor siempre es igual. valor constante– EMF de la fuente de energía EA.

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

Transistor bipolar - elemento semiconductor con dos uniones pn y tres pines, que sirven para amplificar o conmutar señales. Vienen en p-n-p y tipo npn. La Figura 7.1, a y b muestra sus símbolos.

Fig.7.1. Transistores bipolares y sus circuitos equivalentes de diodos: a) pnp, b) transistor npn

El transistor consta de dos diodos conectados de manera opuesta, que tienen una capa p o n común. El electrodo conectado a él se llama base B. Los otros dos electrodos se llaman emisor E y colector K. Diodo circuito equivalente, que se muestra junto a símbolo, explica la estructura de conmutación de las transiciones de transistores. Aunque este diagrama no caracteriza completamente las funciones del transistor, permite imaginar los voltajes inverso y directo que operan en él. Normalmente, la unión emisor-base está polarizada en la dirección directa (abierta) y la unión base-colector está polarizada en la dirección opuesta (bloqueada). Por lo tanto, las fuentes de voltaje deben estar encendidas, como se muestra en la Fig. 7.2.

Fig.7.2. Polaridad de conmutación: a) n-p-n, b) transistor p-n-p

Los transistores del tipo n-p-n están sujetos a las siguientes reglas (para los transistores del tipo p-n-p las reglas siguen siendo las mismas, pero cabe señalar que las polaridades de los voltajes deben invertirse):

1. El colector tiene un potencial más positivo que el emisor.

2. Los circuitos base-emisor y base-colector funcionan como diodos (Fig. 7.1). Normalmente, la unión base-emisor está abierta y la unión base-colector tiene polarización inversa, es decir, el voltaje aplicado evita que la corriente fluya a través de él. De esta regla se deduce que el voltaje entre la base y el emisor no se puede aumentar indefinidamente, ya que el potencial de la base excederá el potencial del emisor en más de 0,6 - 0,8 V (voltaje directo del diodo), y un voltaje muy alto alta corriente. En consecuencia, en un transistor en funcionamiento, los voltajes en la base y el emisor están relacionados por la siguiente relación: UB ≈ UE+0,6V; (UB = UE + UBE).

3. Cada transistor se caracteriza por valores máximos de IK, IB, UKE. Si se exceden estos parámetros, se debe utilizar otro transistor. También conviene recordar los valores límite de otros parámetros, por ejemplo, potencia disipada del RC, temperatura, UBE, etc.

4. Si se siguen las reglas 1 a 3, entonces la corriente del colector es directamente proporcional a la corriente de base. La relación entre las corrientes del colector y del emisor es aproximadamente igual.

IК = αIE, donde α=0,95…0,99 es el coeficiente de transferencia de corriente del emisor. La diferencia entre las corrientes del emisor y del colector de acuerdo con la primera ley de Kirchhoff (y como puede verse en la Fig. 7.2, a) es la corriente de base IB = IE - IK. La corriente del colector depende de la corriente base de acuerdo con la expresión: IK = βIB, donde β=α/(1-α) es el coeficiente de transferencia de corriente base, β >>1.

La regla 4 define la propiedad básica de un transistor: una pequeña corriente de base controla una gran corriente de colector.

Modos de funcionamiento de transistores. Cada unión de un transistor bipolar se puede activar en dirección directa o inversa. Dependiendo de esto, se distinguen los siguientes cuatro modos de funcionamiento del transistor.

Modo boost o activo- Se aplica voltaje directo a la unión del emisor y voltaje inverso a la unión del colector. Es este modo de funcionamiento del transistor el que corresponde a valor máximo coeficiente de transferencia de corriente del emisor. La corriente del colector es proporcional a la corriente de la base, lo que garantiza una distorsión mínima de la señal amplificada.

Modo inverso - Se aplica voltaje directo a la unión del colector y voltaje inverso a la unión del emisor. El modo inverso conduce a una disminución significativa en el coeficiente de transferencia de corriente base del transistor en comparación con el funcionamiento del transistor en el modo activo y, por lo tanto, en la práctica se usa solo en circuitos clave.

Modo de saturación- ambas uniones (emisor y colector) están bajo tensión continua. La corriente de salida en este caso no depende de la corriente de entrada y está determinada únicamente por los parámetros de carga. Debido al bajo voltaje entre los terminales del colector y del emisor, se utiliza el modo de saturación para cerrar los circuitos de transmisión de señales.

Modo de corte- Se aplican tensiones inversas a ambas uniones. Dado que la corriente de salida del transistor en modo de corte es prácticamente cero, este modo se utiliza para abrir circuitos de transmisión de señales.

El principal modo de funcionamiento de los transistores bipolares en dispositivos analógicos es el modo activo. EN circuitos digitales El transistor funciona en modo clave, es decir. solo está en modo de corte o saturación, sin pasar por el modo activo.

- 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 características necesarias, la capa conectada al emisor está más dopada con impurezas, y la capa conectada al colector es lo contrario. Como resultado, aumenta la tensión admisible del colector. Tener en cuenta el nivel de tensión inversa al que se produce la rotura de la unión del emisor no es tan importante, ya que para el montaje circuito electronico 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 debido a la necesidad de mejorar la recogida de operadores 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 demasiado. A medida que disminuye el espesor, también disminuye el período de tiempo necesario para el paso de los portadores minoritarios a través del cuerpo de la capa base, pero al mismo tiempo hay una disminución significativa en la tensión máxima del colector. Por lo tanto, la selección tamaño correcto la base se lleva a cabo teniendo en cuenta ambos fenómenos.

Dispositivo y principio de funcionamiento.

Fig.2: Planar bipolar npn sección transversal del transistor

Los primeros modelos de transistores bipolares se fabricaron con metal germanio (material semiconductor). En en este momento 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 velocidad ultra alta. circuitos lógicos y circuitos amplificadores de microondas.

Como se mencionó anteriormente, la estructura de un transistor bipolar consta de capas emisora, base y colectora con diferentes niveles 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;
• por un momento trabajo activo 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 disipación 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 observamos más de cerca el proceso de funcionamiento de los transistores de tipo n-p-n, en primer lugar hay una transición del NC principal (portadores de carga) desde la capa emisora ​​​​a lo largo de la unión E-B a 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 fina y ligeramente dopada, lo que aumenta tiempo total proceso de interacción, por lo tanto mucho más El emisor NC logra penetrar en la capa colectora. Además, el efecto de la fuerza campo eléctrico, formado por una unión colectora desplazada. Gracias a esta fuerza, el número de electrones extraídos de la capa base aumenta significativamente.

Como resultado, el valor corriente del colector es prácticamente igual al emisor menos las pérdidas en la capa base, que calculan la corriente de la propia 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. Valores grandes permiten una transmisión más eficiente de corriente por el 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 operativo, 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 npn 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 potencial, lo que conducirá a un debilitamiento del control de la difusión del NS principal, así como a un desplazamiento. gran cantidad orificios desde las áreas del emisor y del colector hasta el área de la 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 acción en el modo presentado convierte un triodo semiconductor en un análogo de un diodo con conexión en serie a la 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 características que incluyen circuito de transistores 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);
• Significado impedancia de entrada(Rin), que se calcula a través de la relación entre el voltaje de entrada (Uin) y la corriente de entrada (Iin).

Inclusión con una 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 permitido.

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 trabajo lo proporcionan dos diferentes fuentes Voltaje.

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 transición 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;
• Mayoría alto nivel amplificación de potencia;
• 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).

El valor de la resistencia en la entrada está determinado por la relación entre el voltaje en la entrada y la corriente en la entrada (la relación entre la suma de los voltajes en B-E y transiciones KE al indicador actual 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;
• Magnitud revertir KE actual;
• 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;
• Nivel frecuencia de corte 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. comentario por voltaje;
• El valor del indicador de transferencia actual;
• Nivel de conductividad de salida.

Además de los puntos anteriores, hay que tener en cuenta que frecuencia alta implica una disminución capacidad, 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.

Puede encontrar información adicional en http://www.aistsoft.ru/. El sistema AIST es un gran recurso de datos para información especializada (descripciones técnicas, pasaportes, dibujos, certificados, etc.).

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Hubo un tiempo en que los transistores reemplazaron tubos electronicos. Esto sucedió debido a que tienen dimensiones más pequeñas, alta confiabilidad y menor costo de producción. Ahora, transistores bipolares.son los elementos básicos en todos los circuitos de amplificación.

Es un elemento semiconductor que tiene una estructura de tres capas, que forma dos uniones electrón-hueco. Por lo tanto, el transistor se puede representar como dos diodos consecutivos. Dependiendo de cuáles serán los principales portadores de carga, se distinguen pnp Y npn transistores.

Base– una capa semiconductora, que es la base del diseño del transistor.

emisor llamada capa semiconductora cuya función es inyectar portadores de carga en la capa base.

Coleccionista llamada capa semiconductora, cuya función es recoger los portadores de carga que pasan a través de la capa base.

Normalmente, el emisor contiene una cantidad mucho mayor de cargas principales que la base. Esta es la condición principal para el funcionamiento del transistor, porque en este caso, cuando la unión del emisor está polarizada directamente, la corriente estará determinada por los portadores principales del emisor. El emisor podrá realizar su función principal– inyección de soportes en la capa base. Por lo general, intentan hacer que la corriente inversa del emisor sea lo más pequeña posible. Se logra un aumento en los portadores mayoritarios emisores utilizando una alta concentración de dopante.

Haz la base lo más delgada posible.. Esto se debe a la vida útil de las cargas. Los portadores de carga deben cruzar la base y recombinarse lo menos posible con los portadores de la base principal para llegar al colector.

Para que el recolector pueda recolectar más completamente los medios que pasan por la base, intentan ensancharla.

Principio de funcionamiento del transistor.

miremos ejemplo pnp transistor.

en ausencia tensiones externas, se establece una diferencia de potencial entre las capas. Se instalan barreras potenciales en los cruces. Además, si el número de orificios en el emisor y el colector es el mismo, entonces las barreras potenciales tendrán el mismo ancho.

Para que el transistor funcione correctamente, la unión del emisor debe tener polarización directa y la unión del colector debe tener polarización inversa.. Esto coincidirá modo activo funcionamiento de transistores. Para establecer tal conexión, se necesitan dos fuentes. Una fuente con voltaje Ue está conectada con el polo positivo al emisor y el polo negativo a la base. Una fuente con voltaje Uk está conectada con el polo negativo al colector y el polo positivo a la base. Además, Ue< Uк.

Bajo la influencia del voltaje Ue, la unión del emisor está polarizada en dirección directa. Como se sabe, cuando la transición electrón-hueco está polarizada directamente, el campo externo se dirige en dirección opuesta al campo de transición y, por tanto, lo reduce. Los portadores mayoritarios comienzan a pasar a través de la transición; en el emisor hay de 1 a 5 huecos y en la base, de 7 a 8 electrones. Y dado que el número de agujeros en el emisor es mayor que el número de electrones en la base, la corriente del emisor se debe principalmente a ellos.

La corriente del emisor es la suma del componente hueco de la corriente del emisor y el componente electrónico de la base.

Dado que sólo el componente del orificio es útil, intentan hacer que el componente electrónico sea lo más pequeño posible. Características cualitativas unión del emisor es relación de inyección.

Intentan acercar el coeficiente de inyección a 1.

Los agujeros 1-5 que han pasado a la base se acumulan en el límite de la unión del emisor. Por lo tanto, se crea una alta concentración de orificios cerca del emisor y una baja concentración cerca de la unión del colector, como resultado de lo cual comienza el movimiento de difusión de los orificios desde el emisor hasta la unión del colector. Pero cerca de la unión del colector, la concentración de agujeros sigue siendo cero, porque tan pronto como los agujeros llegan a la unión, la aceleran. campo interno y son extraídos (jalados) hacia el colector. Los electrones son repelidos por este campo.

Mientras los agujeros atraviesan la capa base, se recombinan con los electrones que allí se encuentran, por ejemplo, como el agujero 5 y el electrón 6. Y como los agujeros aparecen constantemente, crean un exceso de carga positiva, por lo que también deben entrar electrones, que son atraídos. a través del terminal base y forman una corriente base Ibr. Este condición importante operación de transistores – la concentración de huecos en la base debe ser aproximadamente igual a la concentración de electrones. En otras palabras Debe garantizarse la neutralidad eléctrica de la base.

El número de orificios que llegan al colector es menor que el número de orificios que salen del emisor por la cantidad de orificios recombinados en la base. Eso es, La corriente del colector se diferencia de la corriente del emisor por la cantidad de corriente de base.

Desde aquí aparece coeficiente de transferencia transportistas, que también intentan acercar a 1.

La corriente de colector del transistor se compone del componente hueco Icr y de la corriente de colector inversa.

La corriente inversa del colector surge como resultado de la polarización inversa de la unión del colector, por lo que está formada por los portadores minoritarios del hueco 9 y el electrón 10. Precisamente porque la corriente inversa está formada por portadores minoritarios, depende únicamente del proceso de generación térmica. es decir, sobre la temperatura. Por eso a menudo se le llama corriente térmica.

La calidad del transistor depende de la magnitud de la corriente térmica; cuanto menor sea, mejor será el transistor.

La corriente del colector está conectada al emisor. coeficiente de transferencia actual.

Las corrientes en el transistor se pueden representar de la siguiente manera.