O que é um transistor bipolar e qual é a sua característica
A palavra "transistor" é composta pelas palavras TRANSfer e resISTOR - conversor de resistência. Ele substituiu as lâmpadas no início dos anos 50. Este é um dispositivo de três pinos usado para amplificação e comutação em circuitos eletrônicos. O adjetivo "bipolar" (transistor de junção bipolar) é usado para distinguir dos transistores de efeito de campo (FET). O princípio de operação de um transistor bipolar é usar duas junções p-n formando uma camada de barreira, o que permite que uma pequena corrente controlesobrecom a corrente mais alta. O transistor bipolar é usado como resistência controlada e como chave. Transistores são de dois tipos: pnp e npn.
Junção P-N
O germânio (Ge) e o silício (Si) são semicondutores. Agora, principalmente o silício é usado. A valência de Si e Ge é quatro. Portanto, se adicionarmos arsênico pentavalente à rede cristalina de silício (As), obteremos um elétron "extra" e, se adicionarmos boro trivalente (B), obteremos um lugar vago para um elétron. No primeiro caso, eles falam de um material “doador” que dá elétrons; no segundo caso, eles falam de um material “aceitador” que recebe elétrons. Além disso, o primeiro tipo de material é chamado N (negativo) e o segundo - P (positivo).
Se os materiais dos tipos P e N forem colocados em contato, uma corrente surgirá entre eles e um equilíbrio dinâmico será estabelecido com uma região esgotada, onde a concentração de portadores de carga - elétrons e locais vagos (“buracos”) - é pequena. Essa camada possui condutividade unilateral e serve como base para um dispositivo chamado diodo. O contato direto dos materiais não criará uma transição qualitativa; é necessária liga (difusão) ou "entupimento" de íons dopantes em um cristal no vácuo.
Transistor PNP
Pela primeira vez, um transistor bipolar foi feito derretendo gotículas de índio em um cristal de germânio (material do tipo n). O índio (In) é um metal trivalente, do tipo p. Portanto, esse transistor foi chamado difuso (ligado) tendo uma estrutura p-n-p (ou pnp). O transistor bipolar na figura abaixo foi fabricado em 1965. Seu corpo é cortado para maior clareza.
O cristal de germânio no centro é chamado de base, e as gotas de índio derretidas nele são chamadas de emissor e coletor. É possível considerar as transições EB (emissor) e KB (coletor) como diodos comuns, mas a transição CE (coletor-emissor) possui uma propriedade especial. Portanto, é impossível fabricar um transistor bipolar a partir de dois diodos separados.
Se uma tensão de vários volts for aplicada entre o coletor (-) e o emissor (+) em um transistor do tipo pnp, uma corrente muito fraca, alguns μA, fluirá no circuito. Se então uma pequena tensão (de abertura) for aplicada entre a base (-) e o emissor (+) - para o germânio é cerca de 0,3 V (e para o silício 0,6 V) - então uma corrente de alguma magnitude fluirá do emissor para a base.Porém, como a base é muito fina, ela rapidamente se torna saturada de orifícios ("perde" o excesso de elétrons que serão enviados ao emissor). Como o emissor é dopado fortemente com condução de furo, e a recombinação de elétrons na base dopada fracamente é um pouco atrasada, entãosobrea maior parte da corrente fluirá do emissor para o coletor. O coletor é maior que o emissor e ligeiramente dopado, o que permite que ele tenhasobretensão de ruptura mais baixa (UAmostra CE> UEB de amostra) Além disso, como a maior parte dos orifícios se recombinam no coletor, ele aquece mais fortemente do que os outros eletrodos do dispositivo.
Entre a corrente do coletor e do emissor, existe uma razão:
Normalmente, α está no intervalo de 0,85-0,999 e depende inversamente da espessura da base. Esse valor é chamado de coeficiente de transferência de corrente do emissor. Na prática, o recíproco é frequentemente usado (também indicado por h21e):
Este é o coeficiente de transferência de corrente base, um dos parâmetros mais importantes de um transistor bipolar. Mais frequentemente, determina as propriedades de aprimoramento na prática.
O transistor PNP é chamado de transistor de condutor direto. Mas existe outro tipo de transistor, cuja estrutura complementa perfeitamente o pnp nos circuitos.
Transistor NPN
O transistor bipolar pode ter um coletor com um emissor de material do tipo N. Então a base é feita de material do tipo P. E, nesse caso, o transistor npn funciona exatamente como o pnp, com exceção da polaridade - é um transistor de condutividade reversa.
Os transistores à base de silício suprimem com seus números todos os outros tipos de transistores bipolares. Como material doador para o coletor e emissor pode servir como As, possuindo um elétron "extra". A tecnologia para fabricação de transistores também mudou. Agora eles são planares, o que possibilita o uso da litografia e a criação de circuitos integrados. A figura abaixo mostra um transistor bipolar planar (como parte de um circuito integrado em alta ampliação). De acordo com a tecnologia planar, os transistores pnp e npn são fabricados, incluindo os poderosos. A liga já está descontinuada.
O transistor bipolar planar no contexto da figura a seguir (diagrama simplificado).
A figura mostra como o projeto do transistor plano é organizado - o coletor é efetivamente resfriado pelo substrato de cristal. Um transistor pnp plano também é fabricado.
As designações gráficas convencionais de um transistor bipolar são mostradas na figura a seguir.
Essas UGOs são internacionais e também válidas de acordo com GOST 2.730-73.
Circuitos de comutação de transistor
Geralmente, um transistor bipolar é sempre usado em conexão direta - a polaridade reversa na transição FE não oferece nada de interessante. Para um esquema de conexão direta, existem três esquemas de conexão: um emissor comum (OE), um coletor comum (OK) e uma base comum (OB). Todas as três inclusões são mostradas abaixo. Eles explicam apenas o princípio de operação em si - assumindo que o ponto de operação seja de alguma forma instalado usando uma fonte de energia adicional ou um circuito auxiliar. Para abrir um transistor de silício (Si), é necessário ter um potencial de ~ 0,6 V entre o emissor e a base e, para um germânio, é suficiente ~ 0,3 V.
Emissor comum
A tensão U1 causa uma corrente Ib, a corrente do coletor Ik é igual à corrente base multiplicada por β. Nesse caso, a tensão + E deve ser bastante grande: 5 V-15 V. Esse circuito amplifica bem a corrente e a tensão e, portanto, a potência. O sinal de saída é oposto em fase à entrada (invertida). Isso é usado na tecnologia digital como uma função do NOT.
Se o transistor não funcionar no modo de chave, mas como um amplificador de pequenos sinais (modo ativo ou linear), então, usando a seleção da corrente de base, a tensão U é ajustada2 igual a E / 2 para que o sinal de saída não distorça. Essa aplicação é usada, por exemplo, na amplificação de sinais de áudio em amplificadores de ponta com baixa distorção e, como resultado, baixa eficiência.
Coletor comum
Em termos de tensão, o circuito OK não amplifica, aqui o ganho é α ~ 1.Portanto, esse circuito é chamado de seguidor de emissor. A corrente no circuito emissor é β + 1 vezes maior que no circuito base. Este circuito amplifica bem a corrente e possui uma saída baixa e uma impedância de entrada muito alta. (Este é o momento de lembrar que o transistor é chamado de transformador de resistência.)
O seguidor do emissor possui propriedades e parâmetros operacionais que são muito adequados para sondas de osciloscópio. Ele usa sua enorme impedância de entrada e baixa saída, o que é bom para combinar com um cabo de baixa impedância.
Base comum
Este circuito é caracterizado pela menor resistência de entrada, mas seu ganho de corrente é igual a α. Um circuito base comum amplifica bem em voltagem, mas não em potência. Sua característica é a eliminação da influência do feedback na capacitância (ef. Miller). Cascatas com OBs são ideais como estágios de entrada de amplificadores em caminhos de radiofrequência correspondentes a baixas resistências de 50 e 75 Ohms.
As cascatas com uma base comum são amplamente utilizadas na tecnologia de microondas e seu uso em rádio-eletrônicos com uma cascata de seguidores de emissores é muito comum.
Dois modos principais de operação
Distinga os modos de operação usando o sinal "pequeno" e "grande". No primeiro caso, o transistor bipolar opera em uma pequena área de suas características e isso é usado na tecnologia analógica. Nesses casos, a linearidade da amplificação do sinal e o baixo ruído são importantes. Este é um modo linear.
No segundo caso (modo de chave), o transistor bipolar opera em toda a faixa - da saturação ao corte, como uma chave. Isso significa que, se você observar as características I-V da junção pn, deverá aplicar uma pequena tensão reversa entre a base e o emissor para bloquear completamente o transistor e abrir totalmente quando o transistor entrar no modo de saturação, aumente ligeiramente a corrente de base em comparação com o modo de sinal baixo. Então o transistor funciona como um interruptor de pulso. Este modo é usado em dispositivos de comutação e energia, é usado para alternar fontes de alimentação. Nesses casos, eles tentam obter um tempo de comutação curto dos transistores.
A lógica digital é caracterizada por uma posição intermediária entre os sinais "grande" e "pequeno". Um nível lógico baixo é limitado por 10% da tensão de alimentação e um nível alto por 90%. Atrasos de tempo e comutação procuram reduzir ao limite. Esse modo de operação é fundamental, mas eles buscam minimizar a energia aqui. Qualquer elemento lógico é uma chave.
Outros tipos de transistores
Os principais tipos de transistores já descritos não limitam sua disposição. Transistores compostos são produzidos (circuito de Darlington). Seu β é muito grande e igual ao produto dos coeficientes de ambos os transistores; portanto, eles também são chamados de transistores "superbet".
A engenharia elétrica já dominou os IGBTs (transistor bipolar de porta isolada), com uma porta isolada. O portão do transistor de efeito de campo é realmente isolado de seu canal. É verdade que há uma questão de recarregar sua capacitância de entrada durante a comutação, portanto, sem corrente, isso não pode ser feito aqui.
Esses transistores são usados em poderosos interruptores: conversores de pulso, inversores, etc. Os IGBTs de entrada são muito sensíveis devido à alta resistência de porta dos transistores de efeito de campo. Na saída - eles dão a oportunidade de receber grandes correntes e podem ser fabricados para alta tensão. Por exemplo, nos EUA, existe uma nova estação de energia solar, onde esses transistores no circuito de ponte são carregados com transformadores poderosos que transferem energia para a rede industrial.
Em conclusão, notamos que os transistores, em palavras simples, são o "cavalo de batalha" de todos os eletrônicos modernos. Eles são usados em todos os lugares: de locomotivas elétricas a telefones celulares. Qualquer computador moderno consiste em quase todos os transistores. Os fundamentos físicos da operação dos transistores são bem compreendidos e prometem muito mais novas conquistas.
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