Què és un transistor bipolar i quina és la seva característica
La paraula "transistor" es compon de les paraules TRANSFER i RESISTOR - convertidor de resistència. Va substituir les làmpades a principis dels anys cinquanta. Es tracta d’un dispositiu de tres pins que s’utilitza per amplificar i commutació en circuits electrònics. L'adjectiu "bipolar" (transistor de junció bipolar) s'utilitza per distingir transistors d'efecte de camp (FET). El principi de funcionament d’un transistor bipolar és utilitzar dues juntes p-n que formen una capa de barrera, cosa que permet controlar un petit correntsobreamb el corrent més alt. El transistor bipolar s’utilitza tant com a resistència controlada com com a clau. Els transistors són de dos tipus: pnp i npn.
Cruïlla P-N
El germani (Ge) i el silici (Si) són semiconductors. Ara s’utilitza principalment silici. La valència de Si i Ge és de quatre. Per tant, si afegim arsènic pentavalent al rellotge de cristall de silici (As), obtenim un electró “extra”, i si hi afegim un bor trivalent (B), obtenim un lloc vacant per a un electró. En el primer cas, parlen d’un material “donant” que dóna electrons, en el segon cas, parlen d’un material “acceptor” que rep electrons. També, el primer tipus de material s’anomena N (negatiu), i el segon - P (positiu).
Si es posen en contacte materials de tipus P i N, es produirà un corrent entre ells i s’establirà un equilibri dinàmic amb una regió esgotada, on la concentració dels portadors de càrrega (electrons i llocs buits (“forats”)) és petita. Aquesta capa té una conductivitat a una cara i serveix de base per a un dispositiu anomenat díode. El contacte directe dels materials no generarà una transició qualitativa, és necessari l’aliatge (difusió) o “obstrucció” d’ions dopants a un cristall al buit.
Transistor PNP
Per primera vegada, es va fer un transistor bipolar mitjançant la fusió de gotes d’indium en un cristall de germani (material de tipus n). L’Indium (In) és un material trivalent de tipus p de metall. Per tant, aquest transistor es va anomenar difús (aliat) amb una estructura p-n-p (o pnp). El transistor bipolar de la figura següent es va fabricar el 1965. El seu cos està tallat per més claredat.
El cristall de germani al centre s'anomena base, i les gotes d'indi fos en ell s'anomenen emissor i col·lector. És possible considerar les transicions EB (emissor) i KB (col·leccionista) com a diodes ordinaris, però la transició CE (col·leccionista-emissor) té una propietat especial. Per tant, és impossible fabricar un transistor bipolar a partir de dos díodes separats.
Si s’aplica una tensió de diversos volts entre el col·lector (-) i l’emissor (+) en un transistor de tipus pnp, un corrent molt dèbil, uns μA, fluirà al circuit. Si llavors s’aplica una petita tensió (d’obertura) entre la base (-) i l’emissor (+) - per al germani és d’aproximadament 0,3 V (i per al silici 0,6 V) - llavors un corrent d’alguna magnitud fluirà des de l’emissor fins a la base.Però com que la base està molt prima, es saturarà ràpidament amb forats (perd "l'excés d'electrons que aniran a l'emissor). Atès que l'emissor està fortament dopat amb conductivitat del forat i en una base feble dopada, la recombinació d'electrons es retarda una micasobrela major part del corrent fluirà des de l’emissor fins al col·lector. El col·lector es fa més gran que l'emissor i es dopa lleugerament, cosa que permet que tinguisobretensió d’avaria inferior (UExemple CE> UExemple EB) A més, com que la majoria dels forats es recombinen al col·lector, s’escalfa amb més força que la resta d’elèctrodes del dispositiu.
Hi ha una relació entre el corrent col·lector i emissor:
Típicament, α es troba en l’interval de 0,85-0,999 i depèn inversament del gruix de la base. Aquest valor s’anomena coeficient de transferència de corrent emissor. A la pràctica, s’utilitza sovint el recíproc (també denotat per h21e):
Aquest és el coeficient de transferència de corrent base, un dels paràmetres més importants d’un transistor bipolar. Més sovint defineix propietats amplificadores a la pràctica.
El transistor PNP s'anomena transistor del conductor cap endavant. Però hi ha un altre tipus de transistor, l’estructura del qual complementa perfectament la pnp en circuits.
Transistor NPN
El transistor bipolar pot tenir un col·lector amb un emissor de material de tipus N. A continuació, la base està feta de material tipus P. I en aquest cas, el transistor npn funciona exactament igual que pnp, a excepció de la polaritat: és un transistor de conductivitat inversa.
Els transistors basats en silici suprimeixen amb el seu número tots els altres tipus de transistors bipolars. Com a material donant per al col·lector i emissor pot servir de As, tenint un electró "extra". La tecnologia per a la fabricació de transistors també ha canviat. Ara són planes, cosa que permet fer servir la litografia i fer circuits integrats. La imatge de sota mostra un transistor bipolar pla (com a part d’un circuit integrat d’alta ampliació). Segons la tecnologia planar, es fabriquen transistors tant pnp com npn, inclosos els potents. Els aliatges ja estan abandonats.
El transistor bipolar pla en el context de la imatge següent (diagrama simplificat).
A la imatge es mostra com de ben organitzat el disseny del transistor pla - el col·lector es refreda eficaçment pel substrat de cristall. També es fabrica un transistor pnp pla.
A la imatge següent es mostren designacions gràfiques convencionals d'un transistor bipolar.
Aquestes UGO són internacionals i també són vàlides d’acord amb GOST 2.730-73.
Circuits de commutació de transistors
Sempre s’utilitza un transistor bipolar en connexió directa: la polaritat inversa a la unió FE no dóna res d’interès. Per a un esquema de connexió directa, hi ha tres esquemes de connexió: un emissor comú (OE), un col·lector comú (OK) i una base comuna (OB). A continuació, es mostren les tres inclusions. Només expliquen el principi del funcionament, assumint que el punt de funcionament s’instal·la d’alguna manera mitjançant una font d’alimentació addicional o un circuit auxiliar. Per obrir un transistor de silici (Si), cal tenir un potencial de ~ 0,6 V entre l'emissor i la base, i per a un germani n'hi ha prou ~ 0,3 V.
Emissor comú
La tensió U1 provoca un corrent Ib, el corrent del col·lector Ik és igual al corrent de base multiplicat per β. En aquest cas, la tensió + E hauria de ser prou gran: 5 V-15 V. Aquest circuit amplifica el corrent i la tensió bé i, per tant, la potència. El senyal de sortida és oposat en fase a l’entrada (invertida). S'utilitza en tecnologia digital com a funció de NO.
Si el transistor no funciona en mode clau, sinó com un amplificador de petits senyals (mode actiu o lineal), llavors, mitjançant la selecció del corrent base, el voltatge U s’estableix2 igual a E / 2 de manera que el senyal de sortida no es distorsioni. Aquesta aplicació s'utilitza, per exemple, per amplificar senyals d'àudio en amplificadors de gamma alta amb baixa distorsió i, en conseqüència, baixa eficiència.
Col·leccionista comú
En termes de tensió, el circuit OK no amplifica, aquí el guany és α ~ 1.Per tant, aquest circuit s’anomena seguidor emissor. El corrent al circuit emissor és β + 1 vegades major que al circuit base. Aquest circuit amplifica el corrent de corrent i té una sortida baixa i una alta impedància d’entrada. (Aquest és el moment de recordar que el transistor s'anomena transformador de resistència.)
El seguidor emissor té propietats i paràmetres de funcionament molt adequats per a sondes d’oscil·loscopi. Utilitza la seva enorme impedància d'entrada i baixa sortida, que és bo per combinar amb un cable de baixa impedància.
Base comuna
Aquest circuit es caracteritza per la resistència d’entrada més baixa, però el seu guany de corrent és igual a α. Un circuit base comú s’amplifica bé en tensió, però no en potència. La seva característica és l’eliminació de la influència de la retroalimentació sobre la capacitança (ef. Miller). Les etapes OB s’adapten idealment com a etapes d’entrada d’amplificadors en recorreguts de radiofreqüència coincidents a baixes resistències de 50 i 75 ohms.
Les cascades amb una base comuna són molt utilitzades en la tecnologia de microones i el seu ús en electrònica de ràdio amb una cascada de seguidors emissors és molt freqüent.
Dos modes de funcionament principals
Distingiu els modes de funcionament mitjançant el senyal "petit" i "gran". En el primer cas, el transistor bipolar funciona sobre una petita àrea de les seves característiques i això s’utilitza en tecnologia analògica. En aquests casos, la linealitat de l'amplificació del senyal i el baix soroll són importants. Es tracta d’un mode lineal.
En el segon cas (mode clau), el transistor bipolar funciona en tota la gamma: des de la saturació fins al tall, com una tecla. Això vol dir que si ens fixem en les característiques I-V de la unió pn, haureu d'aplicar una petita tensió inversa entre la base i l'emissor per bloquejar completament el transistor i obrir-se completament quan el transistor entri en mode de saturació, augmentar lleugerament el corrent base en comparació amb el mode de baix senyal. Aleshores el transistor funciona com un polsador. Aquest mode s'utilitza en dispositius de commutació i potència, s'utilitza per a fonts de commutació. En aquests casos, intenten aconseguir un temps de commutació curt dels transistors.
La lògica digital es caracteritza per una posició intermèdia entre els senyals "gran" i "petit". Un nivell lògic baix està limitat en un 10% de la tensió d'alimentació i un alt en un 90%. Els retards i la commutació de temps pretenen reduir-se fins al límit. Aquest mode de funcionament és clau, però es busca aquí minimitzar la potència. Qualsevol element lògic és clau.
Altres tipus de transistors
Els principals tipus de transistors ja descrits no limiten la seva disposició. Es produeixen transistors compostos (circuit de Darlington). El seu β és molt gran i és igual al producte dels coeficients d'ambdós transistors, per la qual cosa també es diuen transistors "superbetes".
L'enginyeria elèctrica ja domina les IGBT (transistor bipolar aïllat), amb una porta aïllada. La porta del transistor amb efecte de camp està aïllada del seu canal. És cert que es tracta de recarregar la seva capacitat d’entrada durant la commutació, així que, sense corrent, no es pot fer aquí.
Aquests transistors s’utilitzen en potents interruptors d’energia: convertidors d’impulsos, inversors, etc. Les IGBT d’entrada són molt sensibles a causa de l’alta resistència de la porta dels transistors d’efecte de camp. A la sortida: donen l’oportunitat de rebre grans corrents i es poden fabricar per a alta tensió. Per exemple, als EUA hi ha una nova central solar, on aquests transistors al circuit del pont es carreguen de potents transformadors que transfereixen energia a la xarxa industrial.
Com a conclusió, observem que els transistors, en paraules simples, són el “punt de treball” de tota l’electrònica moderna. S’utilitzen arreu: des de locomotores elèctriques fins a telèfons mòbils. Qualsevol equip modern està format per gairebé tots els transistors. Els fonaments físics del funcionament dels transistors són ben entesos i prometen molts més assoliments nous.
Materials relacionats:
Carregant ...
