Designación de transistores bipolares en los diagramas.

transistor bipolar- un dispositivo semiconductor de tres electrodos, uno de los tipos de transistores. En la estructura semiconductora, 2 Unión PN y la transferencia de carga en el dispositivo se realiza mediante portadores de 2 tipos: electrones y huecos. Es por eso que el dispositivo se llamó "bipolar".

Se utiliza en dispositivos electrónicos para potenciar la generación de oscilaciones eléctricas y como elemento de conmutación de corriente, por ejemplo, en circuitos lógicos electrónicos.

Los electrodos están conectados a tres capas consecutivas de un semiconductor con un tipo alterno de conducción de impurezas. Según este método de alternancia, n-p-n y p-n-p transistores ( norte (negativo) - tipo electrónico de conductividad de impurezas, pags (positivo) - agujero).

El funcionamiento de un transistor bipolar, a diferencia de un transistor de efecto de campo, se basa en la transferencia simultánea de dos tipos de cargas, cuyos portadores son electrones y huecos (de la palabra "bi" - "dos"). El diagrama esquemático del transistor se muestra en la segunda figura.

El electrodo conectado a la capa intermedia se llama base, los electrodos conectados a las capas exteriores se llaman emisor y coleccionista. Desde el punto de vista de las conductividades, las capas de emisor y colector son indistinguibles. Pero en la práctica, en la fabricación de transistores, para mejorar los parámetros eléctricos del dispositivo, difieren significativamente en el grado de dopaje con impurezas. La capa de emisor está fuertemente dopada, la capa de colector está ligeramente dopada, lo que aumenta el voltaje de colector permitido. El valor de la tensión inversa de ruptura de la unión del emisor no es crítico, ya que normalmente en circuitos electrónicos Los transistores funcionan con una unión p-n de emisor con polarización directa, además, el fuerte dopaje de la capa del emisor proporciona una mejor inyección de portadores minoritarios en la capa base, lo que aumenta el coeficiente de transferencia de corriente en los circuitos de base común. Además, el área de la unión p-n del colector durante la fabricación se hace significativamente más grande que el área de la unión del emisor, lo que proporciona una mejor recolección de portadores minoritarios de la capa base y mejora el coeficiente de transmisión.

Para aumentar la velocidad (parámetros de frecuencia) de un transistor bipolar, el grosor de la capa base debe hacerse más delgado, ya que el grosor de la capa base, entre otras cosas, determina el tiempo de "vuelo" (difusión en dispositivos sin deriva). ) de los portadores minoritarios, pero, con una disminución en el espesor de la base, la limitación voltaje del colector, por lo que el grosor de la capa base se elige en función de un compromiso razonable.

Dispositivo y principio de funcionamiento.

Los primeros transistores usaban germanio metálico como material semiconductor. En la actualidad (2015), están hechos principalmente de silicio monocristalino y arseniuro de galio monocristalino. Debido a la muy alta movilidad de los portadores en el arseniuro de galio, los dispositivos basados ​​en él tienen alta velocidad y se utilizan en circuitos lógicos de ultra alta velocidad y en circuitos amplificadores de microondas.

Un transistor bipolar consta de tres capas semiconductoras dopadas de forma diferente: un emisor mi(E), base B(B) y colector C(A). Dependiendo de la alternancia del tipo de conductividad de estas capas, hay n-p-n(emisor − norte-semiconductor, base - pags- semiconductor, colector - norte- semiconductor) y p-n-p transistores Los contactos conductores no rectificadores están conectados a cada una de las capas.

La capa base se encuentra entre las capas de emisor y colector y está ligeramente dopada, por lo que tiene una alta resistencia eléctrica. El área total de contacto base-emisor es significativamente más pequeña que el área de contacto colector-base (esto se hace por dos razones: un área de unión colector-base grande aumenta la probabilidad de que se capturen portadores de carga menores desde la base al colector y, dado que la unión colector-base generalmente está habilitada en el modo de funcionamiento con polarización inversa, cuando se opera en la unión del colector, la mayor parte del calor disipado por el dispositivo se libera, un aumento en el área contribuye a una mejor eliminación de calor de la unión del colector ), por lo tanto, un transistor bipolar real de propósito general es un dispositivo asimétrico (no es técnicamente práctico intercambiar el emisor y el colector y obtener un transistor bipolar original similar - conexión inversa).

En el modo de operación de amplificación activa, el transistor se enciende de modo que su unión del emisor esté polarizada en directa (abierta) y la unión del colector esté polarizada en inversa (cerrada).

Para mayor precisión, considere el trabajo n-p-n transistor, todos los argumentos se repiten exactamente de la misma manera para el caso p-n-p transistor, con el reemplazo de la palabra "electrones" con "agujeros", y viceversa, así como con el reemplazo de todos los voltajes con signos opuestos. A n-p-n En un transistor, los electrones, los principales portadores de carga en el emisor, pasan a través de una unión abierta emisor-base (se inyectan) en la región de la base. Algunos de estos electrones se recombinan con la mayoría de los portadores de carga en la base (agujeros). Sin embargo, debido al hecho de que la base se hace muy delgada y relativamente poco dopada, la mayoría de los electrones inyectados desde el emisor se difunden hacia la región del colector, ya que el tiempo de recombinación es relativamente largo. fuerte campo eléctrico La unión del colector con polarización inversa captura los portadores minoritarios de la base (electrones) y los transfiere a la capa del colector. La corriente del colector es prácticamente igual a la corriente del emisor, excepto por una pequeña pérdida de recombinación en la base, que forma la corriente de base ( yo e \u003d yo b + yo para).

El coeficiente α que relaciona la corriente del emisor y la corriente del colector ( yo k \u003d α yo e) se llama coeficiente de transferencia de corriente del emisor. El valor numérico del coeficiente α es 0,9-0,999. Cuanto mayor sea el coeficiente, más eficientemente el transistor transfiere corriente. Este coeficiente depende poco de las tensiones colector-base y base-emisor. Por lo tanto, en un amplio rango de voltajes de operación, la corriente de colector es proporcional a la corriente de base, el factor de proporcionalidad es β = α / (1 - α), de 10 a 1000. Así, una pequeña corriente de base puede ser controlada por un corriente de colector mucho mayor.

Modos de funcionamiento de un transistor bipolar

Voltaje en el emisor base, coleccionista ()	Parcialidad transición emisor de base para tipo n-p-n	Parcialidad transición colector base para tipo n-p-n	Modo para tipo n-p-n
	directo	reverso	normal modo activo
	directo	directo	modo de saturación
	reverso	reverso	modo de corte
	reverso	directo	inverso modo activo
Voltaje en el emisor base, coleccionista ()	Parcialidad transición emisor de base para tipo p-n-p	Parcialidad transición colector base para tipo p-n-p	Modo para tipo p-n-p
	reverso	directo	inverso modo activo
	reverso	reverso	modo de corte
	directo	directo	modo de saturación
	directo	reverso	normal modo activo

Modo activo normal

La unión base-emisor está encendida en dirección directa (abierta), y la unión base-colector está en dirección inversa (cerrada):

U EB > 0; U KB< 0 (para transistor n-p-n tipo), para transistor p-n-p la condición de tipo se verá como U EB<0; U KB > 0.

Modo activo inverso

La unión del emisor tiene polarización inversa y la unión del colector tiene polarización directa: U KB > 0; U EB< 0 (para transistor n-p-n escribe).

Modo de saturación

Ambas cosas pn las transiciones están polarizadas hacia adelante (ambas abiertas). Si emisor y colector distrito-Las transiciones se conectan a fuentes externas en la dirección directa, el transistor estará en modo de saturación. El campo eléctrico de difusión de las uniones de emisor y colector será atenuado parcialmente campo eléctrico generado por fuentes externas Web y Ukb. Como resultado, la barrera de potencial que limita la difusión de los principales portadores de carga disminuirá y comenzará la penetración (inyección) de agujeros desde el emisor y el colector hacia la base, es decir, las corrientes fluirán a través del emisor y el colector de el transistor, llamadas corrientes de saturación del emisor ( yo E. us) y coleccionista ( yo K. nosotros).

Tensión de saturación colector-emisor(UK KE. us) es la caída de voltaje a través de un transistor abierto (análogo semántico R SI. abierto transistores de efecto de campo). Similarmente voltaje de saturación del emisor base(U BE us) es la caída de voltaje entre la base y el emisor en un transistor abierto.

Modo de corte

En este modo, ambos pn las transiciones se invierten. El modo de corte corresponde a la condición tu EB<0, tu KB<0.

régimen de barreras

en este modo base transistor por corriente continua cortocircuitado o a través de una pequeña resistencia a su coleccionista, y en coleccionista o en emisor el circuito del transistor enciende una resistencia que establece la corriente a través del transistor. En tal inclusión, el transistor es una especie de diodo conectado en serie con una resistencia de ajuste de corriente. Dichos circuitos en cascada se distinguen por una pequeña cantidad de componentes, un buen desacoplamiento de alta frecuencia, un amplio rango de temperatura de operación e insensibilidad a los parámetros del transistor.

Esquemas de conmutación

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

• ganancia de corriente yo afuera / yo aporte
• Impedancia de entrada R en = tu en / yo aporte

Diagrama de cableado con una base común

Esquema de conmutación con una base común.

Amplificador de base común.

• Entre las tres configuraciones, tiene la entrada más pequeña y la impedancia de salida más grande. Tiene una ganancia de corriente cercana a la unidad y una gran ganancia de voltaje. No invierte la fase de la señal.
• yo afuera / yo en = yo a / yo mi = α [α<1].
• Impedancia de entrada R en = tu en / yo en = tu eb / yo mi.

La resistencia de entrada (impedancia de entrada) de una etapa amplificadora con una base común es pequeña, depende de la corriente del emisor, al aumentar la corriente disminuye y no excede las unidades: cientos de ohmios para etapas de baja potencia, ya que el circuito de entrada del etapa es una unión de emisor abierto del transistor.

ventajas

• Buena temperatura y amplio rango de frecuencias, ya que en este circuito se suprime el efecto Miller.
• Voltaje de colector permisible alto.

Desventajas del esquema de base común

• Pequeña ganancia de corriente igual a α, ya que α siempre es ligeramente menor que 1
• Baja impedancia de entrada

Circuito de conmutación con un emisor común

Circuito de conmutación con un emisor común.
yo fuera = yo a
yo en = yo b
tu en = tu cariño
tu fuera = tu ke

• Ganancia de corriente: yo afuera / yo en = yo a / yo segundo = yo a /( yo e -I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Impedancia de entrada: R en = tu en / yo en = tu bebé / yo b.

ventajas

• Gran ganancia de corriente.
• Gran ganancia de voltaje.
• Mayor impulso de potencia.
• Puedes arreglártelas con una fuente de alimentación.
• El voltaje de CA de salida se invierte en relación con la entrada.

Defectos

• Tiene menos estabilidad de temperatura. Las propiedades de frecuencia de dicha inclusión son significativamente peores en comparación con un circuito con una base común, lo que se debe al efecto Miller.

Circuito colector común

Esquema de conmutación con un colector común.
yo fuera = yo oh
yo en = yo b
tu en = tu bq
tu fuera = tu ke

• Ganancia de corriente: yo afuera / yo en = yo mi/ yo segundo = yo mi/( yo e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1].
• Impedancia de entrada: R en = tu en / yo en = ( tu cariño + tu ke)/ yo b.

ventajas

• Gran impedancia de entrada.
• Baja impedancia de salida.

Defectos

• La ganancia de tensión es ligeramente inferior a 1.

Un circuito con tal inclusión a menudo se llama " seguidor de emisor».

parámetros principales

• Coeficiente de transferencia de corriente.
• Impedancia de entrada.
• conductividad de salida
• Corriente colector-emisor inversa.
• Hora de encendido.
• La frecuencia límite de la relación de transferencia de corriente base.
• Corriente de colector inversa.
• La corriente máxima permitida.
• La frecuencia de corte del coeficiente de transferencia de corriente en un circuito de emisor común.

Los parámetros del transistor se dividen en propios (primarios) y secundarios. Los parámetros propios caracterizan las propiedades del transistor, independientemente del esquema de su inclusión. Se aceptan como principales parámetros propios los siguientes:

• ganancia de corriente α;
• Resistencias CA de emisor, colector y base r oh, r a, r b, que son:
  • r e - la suma de las resistencias de la región emisora ​​y la unión emisora;
  • r k es la suma de las resistencias de la región del colector y la unión del colector;
  • r b - resistencia transversal de la base.

Circuito equivalente de transistor bipolar usando h-parámetros.

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

Impedancia de entrada- resistencia del transistor a la corriente alterna de entrada en cortocircuito a la salida El cambio en la corriente de entrada es el resultado del cambio en el voltaje de entrada, sin el efecto de la retroalimentación del voltaje de salida.

h 11 = tu m1 / yo m1, en tu m2 = 0.

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

h 12 = tu m1 / tu m2, en yo m1 = 0.

Relación de transferencia actual(ganancia de corriente) indica la ganancia de la corriente CA con resistencia de carga cero. La corriente de salida depende solo de la corriente de entrada sin la influencia del voltaje de salida.

h 21 = yo m2 / yo m1, en tu m2 = 0.

Conductancia de salida- conducción interna para corriente alterna entre los terminales de salida. La corriente de salida cambia bajo la influencia del voltaje de salida.

h 22 = yo m2 / tu m2, en yo m1 = 0.

La relación entre las corrientes alternas y los voltajes del transistor se expresa mediante las ecuaciones:

tu m1 = h 11 yo m1 + h 12 tu m2 ; yo m2 = h 21 yo m1 + h 22Um2.

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

Para el esquema OE: yo m1 = yo megabyte, yo m2 = yo mk, tu m1 = tu mb, tu m2 = tu mk-e. Por ejemplo, para este esquema:

h 21e = yo mk / yo mb = β.

Para el esquema OB: yo m1 = yo yo, yo m2 = yo mk, tu m1 = tu yo-b, tu m2 = tu mk-b.

Los parámetros intrínsecos del transistor están relacionados con h-parámetros, por ejemplo para el esquema OE:

;

;

;

.

Frecuencia ascendente mala influencia la capacitancia de la unión del colector comienza a trabajar en el transistor C k) La resistencia de capacitancia disminuye, la corriente a través de la resistencia de carga disminuye y, en consecuencia, las ganancias α y β. Resistencia de capacitancia de la unión del emisor C e también disminuye, sin embargo, es desviado por una pequeña resistencia de transición r y en la mayoría de los casos se pueden ignorar. Además, con un aumento en la frecuencia, se produce una disminución adicional en el coeficiente β como resultado del retraso de la fase de corriente del colector con respecto a la fase de corriente del emisor, que es causado por la inercia del proceso de mover los portadores a través de la base desde la unión del emisor a la unión del colector y la inercia de los procesos de acumulación y reabsorción de carga en la base. Las frecuencias a las que los coeficientes α y β disminuyen en 3 dB se denominan frecuencias limitantes del coeficiente de transferencia de corriente para esquemas OB y ​​OE, respectivamente.

En el modo pulsado, el pulso de corriente del colector comienza con un retraso del tiempo de retardo τc en relación con el pulso de corriente de entrada, que es causado por el tiempo de tránsito finito de los portadores a través de la base. A medida que los portadores se acumulan en la base, la corriente del colector aumenta durante la duración del frente τ f. A tiempo transistor se llama τ on = τ c + τ f.

Tecnologías de fabricación de transistores

• Aleación de difusión.

Aplicación de transistores

• Amplificadores, etapas de amplificación
• Demodulador (Detector)
• Inversor (elemento log.)
• Microcircuitos en lógica de transistores (ver.

En un momento, los transistores vinieron a reemplazar tubos de vacio. Esto se debió a que tienen menores dimensiones, alta confiabilidad y menores costos de producción. Ahora, transistores bipolaresson los elementos básicos en todos los circuitos amplificadores.

Es un elemento semiconductor que tiene una estructura de tres capas, que forma dos transiciones de huecos de electrones. Por lo tanto, un transistor se puede representar como dos diodos espalda con espalda. Dependiendo de cuáles serán los principales portadores de carga, existen p-n-p y n-p-n transistores

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

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

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

Por regla general, el emisor contiene un número mucho mayor de cargas básicas que la base. Esta es la condición principal para el funcionamiento del transistor, porque en este caso, con una polarización directa de la unión del emisor, la corriente estará determinada por los principales portadores del emisor. El emisor podrá realizar su función principal: la inyección de portadores en la capa base. Por lo general, se intenta que la corriente del emisor inverso sea lo más pequeña posible. El aumento de los portadores mayoritarios del emisor se consigue utilizando una alta concentración de impurezas.

La base se hace lo más delgada posible.. Esto está relacionado con la vida útil de los cargos. Los portadores de carga deben cruzar la base y recombinarse lo menos posible con los portadores de base para llegar al colector.

Para que el recolector pueda recolectar más completamente los transportadores que han pasado por la base, están tratando de ensancharla.

El principio de funcionamiento del transistor.

Considere en p-n-p ejemplo transistor.

En ausencia de voltajes externos, se establece una diferencia de potencial entre las capas. Se establecen barreras potenciales en los cruces. Además, si el número de orificios en el emisor y el colector es el mismo, las barreras de potencial 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 corresponderá al modo activo del transistor. Para hacer tal conexión, se necesitan dos fuentes. Una fuente con voltaje Ue está conectada con un polo positivo al emisor y un polo negativo a la base. Una fuente con voltaje Uk está conectada con un polo negativo al colector y positivo a la base. y tú< Uк.

Bajo la acción del voltaje Ue, la unión del emisor se desplaza hacia adelante. 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 lo tanto, lo reduce. Los portadores principales comienzan a pasar a través de la transición, en el emisor estos son los agujeros 1-5 y en la base los electrones 7-8. Y dado que el número de huecos 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 de hueco de la corriente del emisor y el componente electrónico de la base.

Dado que solo el componente del agujero es útil, intentan que el componente electrónico sea lo más pequeño posible. La característica cualitativa de la 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 borde de la unión del emisor. Así, se crea una alta concentración de huecos cerca del emisor y una baja concentración cerca de la unión del colector, como resultado de lo cual comienza el movimiento de difusión de huecos desde el emisor hasta la unión del colector. Pero cerca de la unión del colector, la concentración de agujeros permanece igual a cero, porque tan pronto como los agujeros llegan a la unión, son acelerados por su campo interno y son extraídos (atraídos) hacia el colector. Los electrones son repelidos por este campo.

Mientras los huecos atraviesan la capa base, se recombinan con los electrones allí ubicados, por ejemplo, como hueco 5 y electrón 6. Y como los huecos están entrando constantemente, crean un exceso de carga positiva, por lo tanto, también deben entrar electrones, que se extraen a través de la terminal base y forman la corriente base Ibr. Esta es una condición importante para el funcionamiento del transistor. – la concentración de huecos en la base debe ser aproximadamente igual a la concentración de electrones. En otras palabras se debe asegurar la neutralidad eléctrica de la base.

El número de agujeros que han llegado al colector es menor que el número de agujeros que han salido del emisor por la cantidad de agujeros recombinados en la base. Eso es, La corriente del colector difiere de la corriente del emisor por la corriente base.

De aquí viene coeficiente de transferencia transportistas, que también intentan acercar a 1.

La corriente de colector del transistor consiste en el componente de hueco Icr y la corriente inversa de colector.

La corriente inversa del colector se produce como resultado de la polarización inversa de la unión del colector, por lo tanto, consta de portadores minoritarios de un hueco 9 y un electrón 10. Es precisamente porque la corriente inversa está formada por portadores minoritarios que depende solo de la proceso de generación térmica, es decir, sobre la temperatura. Por lo tanto, a menudo se le llama corriente térmica.

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

La corriente del colector está acoplada al emisor. relación de transferencia actual.

Las corrientes en un transistor se pueden representar de la siguiente manera

Relación básica para corrientes de transistor

La corriente del colector se puede expresar como

De lo anterior, se puede concluir que Al cambiar la corriente en el circuito base-emisor, podemos controlar la corriente de salida del colector. Además, un ligero cambio en la corriente base provoca un cambio significativo en la corriente del colector.

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

transistor bipolar- Este es un dispositivo semiconductor con dos uniones pn que interactúan y tres o más conclusiones.

El cristal semiconductor de un transistor consta de tres regiones con tipos alternos de conductividad eléctrica, entre las cuales hay dos rp-transición. La región media generalmente se hace muy delgada (fracciones de una micra), por lo que rp Las transiciones están cerca unas de otras.

Dependiendo del orden de alternancia de las regiones semiconductoras con varios tipos conductividad eléctrica distinguir transistores r-p-r y p-r-p- tipos . Estructuras simplificadas y UGO diferentes tipos Los transistores se muestran en la figura 1.23, a, b.

Figura 1.23 - Estructura y UGO de transistores bipolares

El transistor bipolar es el dispositivo semiconductor activo más común. El silicio se utiliza actualmente como material principal para la fabricación de transistores bipolares. En este caso, los transistores se fabrican principalmente p-r-p-tipo, en el que los principales portadores de carga son electrones que tienen una movilidad de dos a tres veces mayor que la movilidad de los huecos.

El control del valor de la corriente que fluye en el circuito de salida (en el circuito colector o emisor) del transistor bipolar se realiza mediante corriente en el circuito del electrodo de control - base. base llamó promedio capa en la estructura del transistor. Las capas exteriores se llaman emisor (emitir, vomitar) y coleccionista (recolectar). La concentración de impurezas (y, en consecuencia, de los principales portadores de carga) en el emisor es mucho mayor que en la base y mayor que en el colector. Por lo tanto, la región emisora ​​es la más baja resistencia.

Para ilustrar los procesos físicos en un transistor, usamos una estructura de transistor simplificada p-r-p- tipo que se muestra en la Figura 1.24. Para comprender el principio de funcionamiento de un transistor, es sumamente importante tener en cuenta que rp Las uniones de transistores interactúan fuertemente entre sí. Esto significa que la corriente de una unión afecta fuertemente la corriente de la otra y viceversa.

En modo activo (cuando el transistor funciona como elemento amplificador), se conectan dos fuentes de alimentación al transistor de tal forma que emisor la transición se ha desplazado delantero, a coleccionista - al contrario(Figura 1.24). Bajo la influencia del campo eléctrico de la fuente. mi BE a través de la unión del emisor fluye una corriente directa suficientemente grande yo E, que es proporcionado principalmente por inyección electrones del emisor a la base La inyección de huecos desde la base al emisor será insignificante debido a la diferencia anterior en las concentraciones de átomos de impurezas.

Figura 1.24 - Procesos físicos en un transistor bipolar

Flujo de electrones que proporciona corriente. yo E a través de la transición emisor - base se muestra en la Figura 1.24 con una flecha ancha. Parte de los electrones inyectados en la región base (1 ... 5%) recombinar con los principales portadores de carga para esta región: agujeros que forman una corriente en el circuito externo de la base yo B. Debido a la gran diferencia en las concentraciones de los principales portadores de carga en el emisor y la base, los electrones no compensados ​​inyectados en la base se mueven profundamente hacia el colector.

Cerca del coleccionista r-p- electrones de transición están sujetos a un campo eléctrico acelerado esta transición sesgada inversamente. Y dado que son portadores menores en la base de datos, sucede retracción (extracción ) electrones en la región del colector. En el colector, los electrones se convierten en los principales portadores de carga y llegan fácilmente al terminal del colector, creando una corriente en el circuito externo del transistor.

De este modo, la corriente a través de la terminal base del transistor está determinada por dos componentes de corriente de dirección opuesta. Si no hubiera procesos de recombinación en la base, entonces estas corrientes serían iguales entre sí y la corriente base resultante sería igual a cero. Pero dado que los procesos de recombinación están presentes en cualquier transistor real, la corriente del emisor pn-transición un poco más que la corriente del colector pn-transición.

Para la corriente de colector, podemos escribir la siguiente ecuación

, (1.9)

donde un S t- coeficiente de transferencia de corriente estática del emisor;

Yo KBO- corriente inversa de la unión del colector (corriente térmica) (para transistores de baja potencia a temperatura normal es 0.015 ... 1 μA).

En la práctica, el coeficiente de transferencia de corriente del emisor estático a S t, según el tipo de transistor, puede tomar valores en el rango de 0,95... 0,998.

La corriente de emisor en el transistor es numéricamente la más grande y es igual a

, (1.11)

donde es el coeficiente de transferencia de corriente estática de la base en un circuito con un emisor común (en la literatura de referencia, la designación se usa h 21mi, por lo general toma el valor b S t= 20 ... 1000 dependiendo del tipo y potencia del transistor).

De lo anterior se deduce que el transistor es un elemento controlado, ya que el valor de su corriente de colector (salida) depende de los valores de las corrientes de emisor y base.

Terminando la consideración del principio de funcionamiento de un transistor bipolar, debe tenerse en cuenta que la resistencia de una unión de colector con polarización inversa (cuando se le aplica un voltaje inverso) es muy alta (cientos de kiloohmios). Es por eso en el circuito colector se pueden incluir resistencias de carga con muy gran resistencia , por lo que prácticamente no cambia el valor de la corriente del colector. En consecuencia, se asignará una potencia significativa en el circuito de carga.

La resistencia de una unión de emisor con polarización directa, por el contrario, es muy pequeña (de decenas a cientos de ohmios). Por lo tanto, en casi los mismos valores corrientes de emisor y colector, la potencia consumida en el circuito emisor resulta ser significativamente menor que la potencia liberada en el circuito de carga. Esto indica que Un transistor es un dispositivo semiconductor que amplifica la potencia..

La tecnología de fabricación de los transistores bipolares puede ser diferente: fusión, difusión , epitaxia. Esto determina en gran medida las características del dispositivo. Estructuras típicas de transistores bipolares fabricados varios métodos se muestran en la figura 1.25. En particular, en la figura 1.25, a estructura mostrada flotable, en la figura 1.25, b - epitaxialmente-difusión, en la figura 1.25, en - plano, en la figura 1.25, GRAMO - mesaplanar transistores

Figura 1.25 - Métodos para fabricar transistores bipolares

Modos de funcionamiento y circuitos de conmutación de transistores.

Para cada r-p- la unión del transistor se puede alimentar tanto con voltaje directo como inverso. De acuerdo con esto, se distinguen cuatro modos de operación de un transistor bipolar: modo cortar, modo saturación, activo modo y inverso modo.

Activo el modo se proporciona suministrando un voltaje directo a la unión del emisor y un voltaje inverso a la unión del colector (el modo de operación principal del transistor). Este modo corresponde al valor máximo del coeficiente de transferencia de corriente del emisor y proporciona una distorsión mínima de la señal amplificada.

A inverso modo unido a la unión del colector tensión directa, al emisor - lo contrario (un S t®min; muy raramente usado).

en modo saturación ambas uniones están bajo polarización directa. En este caso, la corriente de salida no depende de la corriente de entrada y está determinada únicamente por los parámetros de carga.

en modo cortar ambas uniones tienen polarización inversa. La corriente de salida es cercana a cero.

Los modos de saturación y corte se utilizan simultáneamente en esquemas clave(cuando el transistor está operando en el modo clave).

Cuando se usa un transistor en dispositivos electrónicos, se necesitan dos pines para suministrar la señal de entrada y dos pines para conectar la carga (quitar la señal de salida). Dado que el transistor tiene solo tres pines, uno de ellos debe ser común a las señales de entrada y salida.

Dependiendo de qué salida del transistor sea común al conectar la fuente de señal y la carga, existen tres esquemas de conmutación de transistores: con Base común(OB) (Figura 1.26, a); Con emisor común(EO) (Figura 1.26, b); Con colector común(OK) (Figura 1.26, en).

En estos diagramas, las fuentes Voltaje constante y las resistencias proporcionan los modos de funcionamiento de los transistores para corriente continua, es decir, los valores necesarios de voltajes y corrientes iniciales. Las señales de entrada de CA son generadas por fuentes y en. Cambian la corriente del emisor (base) del transistor y, en consecuencia, la corriente del colector. Incrementos de corriente del colector (Figura 1.26, a, b) y la corriente del emisor (Figura 1.26, en) creará, respectivamente, en resistencias RK y RE incrementos de voltaje, que son las señales de salida y fuera.

a B C

Figura 1.26 - Circuitos de conmutación de transistores

Al determinar el circuito de conmutación del transistor, es necesario tener en cuenta el hecho de que la resistencia de la fuente de voltaje de CC para CA es cercana a cero.

Características de corriente-voltaje del transistor.

Las propiedades de un transistor bipolar se describen de forma más completa utilizando características estáticas de corriente-voltaje. En este caso, se distinguen las características I-V de entrada y salida del transistor. Dado que las tres corrientes (base, colector y emisor) en un transistor están estrechamente interconectadas, al analizar el funcionamiento de un transistor, es necesario utilizar las características de corriente-voltaje tanto de entrada como de salida.

Cada circuito de conmutación de transistor tiene sus propias características de corriente-voltaje, que son una dependencia funcional de las corrientes a través del transistor en los voltajes aplicados. Debido a la naturaleza no lineal de estas dependencias, generalmente se presentan en forma gráfica.

El transistor, como cuadripolo, se caracteriza aporte y fin de semana Características estáticas I-V, que muestran, respectivamente, la dependencia de la corriente de entrada en el voltaje de entrada (a un valor constante del voltaje de salida del transistor) y la corriente de salida en el voltaje de salida (a una corriente de entrada constante del transistor ).

La Figura 1.27 muestra las características estáticas I-V r-p-r-transistor conectado según el esquema con OE (el más utilizado en la práctica).

un segundo

Figura 1.27 - Características estáticas IV de un transistor bipolar conectado según el circuito con OE

Entrada CVC (Figura 1.27, a) es similar a la rama directa del CVC del diodo. Representa la dependencia de la corriente. YO B de voltaje ERES U CE, es decir, una dependencia de la forma

. (1.12)

De la figura 1.27, a Se puede observar que cuanto mayor sea el voltaje U CE, más a la derecha se desplaza la rama del CVC de entrada. Esto se debe a que a medida que aumenta el voltaje de polarización inversa, U CE hay un aumento en la altura de la barrera potencial del colector R-PAGS-transición. Y como en un transistor el colector y el emisor R-PAGS-las uniones interactúan fuertemente, esto, a su vez, conduce a una disminución en la corriente base a un voltaje constante ERES.

Características estáticas IV, presentadas en la Figura 1.27, a tomado a temperatura normal (20°C). A medida que aumenta la temperatura, estas características se desplazarán hacia la izquierda y, a medida que disminuyan, se desplazarán hacia la derecha. Esto se debe al hecho de que, al aumentar la temperatura, aumenta la conductividad eléctrica intrínseca de los semiconductores.

Para el circuito de salida de un transistor conectado de acuerdo con el circuito OE, se construye una familia de características de salida I–V (Figura 1.27, b). Esto se debe al hecho de que la corriente de colector del transistor depende no solo (y no tanto, como se puede ver en la figura) del voltaje aplicado a la unión del colector, sino también de la corriente de base. Por lo tanto, la característica de voltaje de corriente de salida para un circuito con OE es la dependencia de la corriente yo k de voltaje U CE a corriente fija YO B, es decir, una dependencia de la forma

. (1.13)

Cada una de las características de salida I-V de un transistor bipolar se caracteriza al principio por un fuerte aumento en la corriente de salida yo k con el aumento de la tensión de salida U CE, y luego, a medida que el voltaje aumenta aún más, un ligero cambio en la corriente.

Se pueden distinguir tres regiones en la característica I-V de salida del transistor, correspondientes a diferentes modos de funcionamiento del transistor: saturación, región cortar y área trabajo activo(ganar) , correspondiente al estado activo del transistor, cuando ½ ERES½ > 0 y ½ U CE½> 0.

Las características I-V estáticas de entrada y salida de los transistores se utilizan en el cálculo analítico gráfico de cascadas que contienen transistores.

Características estáticas de entrada y salida IV de un transistor bipolar R-PAGS-R-tipo para el circuito de conmutación con OB se muestran en la Figura 1.28, a y 1.28, b respectivamente.

un segundo

Figura 1.28 - Características estáticas IV de un transistor bipolar para un circuito de conmutación con ABOUT

Para un circuito con APROXIMADAMENTE la característica I-V estática de entrada, la dependencia actual se llama ES DECIR de voltaje U EB a un valor de voltaje fijo U KB, es decir, una dependencia de la forma

. (1.14)

La característica I-V estática de salida para un circuito con OB se denomina dependencia de corriente yo k de voltaje U KB a corriente fija ES DECIR, es decir, una dependencia de la forma

. (1.15)

En la figura 1.28, b se pueden distinguir dos regiones, correspondientes a dos modos de funcionamiento del transistor: activo modo ( U KB< 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим saturación(U KB > 0 y la unión del colector tiene polarización directa).

Modelo matemático de un transistor bipolar

Hasta la fecha, se conocen muchos modelos eléctricos de transistores bipolares. En los sistemas de automatización de diseño (CAD) de medios electrónicos, los más utilizados son: los modelos de Ebers-Moll, el modelo de control de carga generalizado de Hummel-Poon, el modelo de Linville, así como los modelos locales en forma de P y T de incrementos lineales de Giacolleto. .

Considere, como ejemplo, una de las variantes del modelo Ebers-Moll (Figura 1.29), que refleja las propiedades de la estructura del transistor en el modo de operación lineal y en el modo de corte.

Figura 1.29 - Circuito equivalente de transistor bipolar (modelo Ebers-Moll)

La figura 1.29 usa la notación: re, rb, r a- resistencia, respectivamente, de las regiones de emisor, base y colector del transistor y contactos con ellas; Yo b , yo a - controlado por voltaje en la unión de entrada, fuentes de corriente que reflejan la transferencia de corriente a través del transistor; R eb- resistencia de fuga de la unión base-emisor; R kb - resistencia de fuga de la unión base-colector. Fuente de corriente Yo b está relacionado con el voltaje en la unión por la relación

, (1.15)

dónde Yo BO- corriente de saturación de la transición base-emisor (corriente inversa);

y a= (0.3 ... 1.2) V - diferencia de potencial de contacto (depende del tipo de material semiconductor);

t- coeficiente empírico.

Paralelo a la unión base-emisor incluido barrera capacidad C bebé y difusión capacidad C de transición. Valor C bebé determinado tensión inversa en el cruce y N y legalmente dependiente de él

, (1.16)

donde C 0 b - capacitancia de transferencia en y n = 0;

g = 0.3 ... 0.5 - coeficiente que depende de la distribución de impurezas en la región base del transistor.

Capacidad de difusión es una función de la corriente Yo b, que fluye a través de la transición, y está determinada por la expresión

dónde PERO - coeficiente en función de las propiedades de la transición y su temperatura.

La unión colector-base se modela de manera similar, la única diferencia es que solo se tiene en cuenta la capacidad de barrera de la unión

, (1.18)

ya que cuando el transistor está operando en modo lineal y en el modo de corte de corriente del colector, esta transición se cierra. expresión para corriente fuente de corriente de colector controlada, modelando las propiedades amplificadoras del transistor, tiene la forma

, (1.19)

donde b S t- coeficiente de transferencia de corriente estática de la base del transistor en un circuito con un emisor común.

Los parámetros del modelo de Ebers-Moll pueden obtenerse mediante cálculo basado en el análisis del modelo físico-topológico del transistor, o medidos experimentalmente. Los parámetros estáticos del modelo se determinan más fácilmente con corriente continua.

Global el modelo eléctrico de un transistor bipolar discreto, tomando en cuenta la inductancia y capacitancia de sus salidas, se muestra en la figura 1.30.

Figura 1.30 - Modelo global de un transistor bipolar

Parámetros básicos de un transistor bipolar

Al determinar los componentes variables de corrientes y voltajes (es decir, al analizar circuitos electricos sobre el corriente alterna) y siempre que el transistor esté en modo activo, a menudo se representa como un cuadripolo lineal (Figura 1.31, a). Los nombres (esencia física) de las corrientes y voltajes de entrada y salida de una red de cuatro terminales de este tipo dependen del circuito de conmutación del transistor.

un segundo

Figura 1.31 - Representación de un transistor bipolar por un cuadripolo lineal

Para el circuito de conmutación de un transistor con un emisor común, las corrientes y voltajes del cuadripolo (Figura 1.31, b) corresponden a las siguientes corrientes y tensiones de transistor:

- i 1 - componente variable de la corriente base;

- tu 1 - componente variable de la tensión entre la base y el emisor;

- i 2 - componente variable de la corriente del colector;

- tu 2 - la componente variable de la tensión entre el colector y el emisor.

El transistor se describe convenientemente usando el llamado h-opciones. En este caso, el sistema de ecuaciones del cuadripolo en forma matricial toma la forma

. (1.20)

Posibilidades hola(eso es h-parámetros) definir empíricamente, utilizando a su vez los modos de cortocircuito y reposo en la entrada y salida del cuadripolo.

Esencia h- los parámetros para el circuito de conmutación de un transistor con OE son los siguientes:

- - resistencia de entrada del transistor para una señal variable con un cortocircuito en la salida;

- - conductividad de salida del transistor en reposo en la entrada;

- - coeficiente de realimentación de tensión sin carga en la entrada;

- - coeficiente de transferencia de corriente del transistor en caso de cortocircuito en la salida.

Usando el circuito equivalente del transistor, puede encontrar la dependencia h-parámetros de los parámetros del transistor.

En particular, se puede demostrar que para el circuito de conmutación de un transistor con OE, se dan las siguientes relaciones:

En las fórmulas anteriores, los siguientes parámetros transistores:

- rb- resistencia óhmica del cuerpo base. Para transistores reales, alcanza valores de 100 ... 200 Ohms;

- re- resistencia R-PAGS-transición, cuyo valor depende del modo de funcionamiento del transistor y cambia en el modo activo dentro de fracciones - decenas de ohmios;

B- factor diferencial transmisión de corriente base, determinada a partir de la expresión

; (1.25)

Resistencia de la región colectora, determinada a partir de la expresión

, (1.26)

dónde r a- resistencia diferencial de la unión del colector (generalmente dentro de una fracción - decenas de MΩ), determinada a partir de la expresión

(1.27)

Añadido el 21 de octubre de 2016 a las 17:45

Capítulo 2 - Teoría de los Dispositivos de Estado Sólido

El transistor bipolar recibió este nombre porque su funcionamiento implica el movimiento de dos portadores de carga: electrones y huecos en el mismo cristal. El primer transistor bipolar fue inventado en Bell Labs por William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen a fines de 1947, por lo que no se publicó hasta 1948. Así, muchos textos difieren en la fecha de invención. Brattain hizo un transistor de punto de germanio, que se parecía un poco a un diodo de punto. En un mes, Shockley tenía un transistor bipolar de unión más práctico, que describimos a continuación. En 1956, por la invención del transistor, fueron premiados premio Nobel en física.

El transistor bipolar que se muestra en la Figura siguiente (a) es un sándwich semiconductor de tres capas NPN con un emisor y un colector en los extremos y una base en el medio. Es como si se añadiera una tercera capa a un diodo de dos capas. Pero si ese fuera el único requisito, bastaría con un par de diodos adosados. Y es mucho más fácil hacer un par de diodos ubicados "espalda con espalda". Pero la base para hacer un transistor bipolar es hacer que la capa intermedia, la base, sea lo más delgada posible sin cortocircuitar las capas externas, el emisor y la base. La importancia del área de base delgada no se puede exagerar.

El dispositivo semiconductor de la Figura siguiente (a) tiene dos uniones, entre el emisor y la base y entre la base y el colector, y dos regiones de agotamiento.

(a) Transistor NPN bipolar.
(b) Aplicar una polarización inversa a la unión base-colector.

Es habitual aplicar una polarización inversa a la unión base-colector de un transistor bipolar, como se muestra en la figura anterior (b). Tenga en cuenta que esto aumenta el ancho de la región de agotamiento. El voltaje de polarización inversa para la mayoría de los transistores puede oscilar entre unos pocos voltios y decenas de voltios. Actualmente no hay corriente en el circuito del colector aparte de la corriente de fuga.

En la figura a continuación (a), se ha agregado otra fuente de voltaje al circuito entre el emisor y la base. Por lo general, aplicamos una polarización directa a la unión base-emisor que supera la barrera potencial de 0,6 V. Esto es similar a la polarización directa de un diodo semiconductor. La fuente de voltaje debe exceder los 0,6 V para que los portadores mayoritarios (electrones para NPN) comiencen a fluir desde el emisor a la base, convirtiéndose en portadores de carga minoritarios en el semiconductor tipo P.

Si la región de la base fuera gruesa, como en un par de diodos espalda con espalda, toda la corriente que fluye hacia la base fluiría a través del cable de la base. En nuestro transistor NPN de ejemplo, los electrones que salen del emisor hacia la base se combinarán con los agujeros en la base, dejando espacio para que se creen más agujeros en el terminal (+) de la batería conectada a la base una vez que los electrones se hayan ido.

Sin embargo, la base se hace delgada. Varios portadores mayoritarios en el emisor introducidos como portadores minoritarios en la base en realidad se recombinan. Consulte la figura a continuación (b). Varios electrones introducidos por el emisor en la base del transistor NPN caen en los agujeros. Además, algunos electrones que ingresan a la base fluirán directamente a través de la base hacia la terminal positiva de la batería. La mayor parte del flujo de electrones del emisor se difunde a través de la base delgada hacia el colector. Además, un pequeño cambio en la corriente base da como resultado un gran cambio en la corriente del colector. Si el voltaje base cae por debajo de aproximadamente 0,6 voltios para un transistor de silicio, deja de fluir. alta corriente emisor-colector.

Transistor bipolar NPN bipolar inverso colector-base: (a) Agregar polarización directa a la unión base-emisor da como resultado (b) corriente de base baja y corrientes de emisor y colector altas.

En la siguiente figura, observamos más de cerca el mecanismo de amplificación actual. Tenemos una vista ampliada de las uniones de un transistor bipolar NPN con énfasis en la región de base delgada. Aunque no se muestra, asumimos que las fuentes de voltaje externas están conectadas: (1) unión base-emisor con polarización directa, (2) unión base-colector con polarización inversa. Los electrones, los portadores mayoritarios, ingresan al emisor desde el terminal (-) de la batería. La corriente de base corresponde a los electrones que salen de la terminal base hacia la terminal (+) de la batería. Sin embargo, esta es una corriente pequeña en comparación con la corriente del emisor.

Electrones incluidos en la base:
(a) Perdido debido a la recombinación con agujeros base.
(b) Salida base saliente.
(c) La mayoría se difunde desde el emisor a través de la base delgada hacia la región de agotamiento del colector base,
y (d) son rápidamente capturados por el fuerte campo eléctrico de la región de agotamiento en el colector.

Los portadores mayoritarios dentro de un emisor de tipo N son electrones que se convierten en portadores minoritarios cuando entran en una base de tipo P. Estos electrones que golpean la base delgada de tipo P tienen cuatro posibilidades. Unos pocos electrones (en la figura (a) anterior) ingresan a los agujeros en la base, lo que permite que la corriente fluya hacia la terminal de la base desde la terminal (+) de la batería. Esto no se muestra, pero los agujeros en la base pueden difundirse en el emisor y combinarse con electrones, permitiendo que la corriente fluya a través del conductor de la base. Varios (b) fluyen a través de la base hacia el terminal (+) de la batería, como si la base fuera solo una resistencia. Ambos grupos de electrones (a) y (b) contribuyen muy poco a la corriente de base. Para transistores de baja potencia, la corriente base es típicamente el 1% de la corriente del emisor o del colector. La mayoría de los electrones del emisor se difunden a través de la base delgada (c) hacia la región de empobrecimiento del colector de base. Note la polaridad de la región de empobrecimiento que rodea al electrón en (d). Un fuerte campo eléctrico barre rápidamente el electrón hacia el colector. La intensidad del campo es proporcional a la tensión de la batería del colector. Así, el 99% de la corriente del emisor va al colector. Está controlado por la corriente base, que es el 1% de la corriente del emisor. Esta es una amplificación de corriente potencial de 99 veces, la relación I K / I B, también conocida como beta β.

Esto es sorprendente, el 99% de los portadores emisores que se propagan a través de la base solo es posible si la base es muy delgada. ¿Qué pasaría con los portadores del emisor principal si la base fuera 100 veces más gruesa? Uno esperaría un aumento en la recombinación, la cantidad de electrones que caen en los agujeros sería mucho mayor. Quizás el 99%, no el 1%, habría entrado en los agujeros, sin llegar nunca al colector. El segundo punto es que la corriente base puede impulsar el 99% de la corriente del emisor solo si el 99% de la corriente del emisor se difunde hacia el colector. Si toda la corriente fluyera desde la base, no sería posible ningún control.

Otra característica necesaria para transferir el 99% de los electrones del emisor al colector es que los transistores bipolares reales utilizan un emisor pequeño muy dopado. La alta concentración de electrones emisores hace que más electrones se difundan hacia la base. La menor concentración de dopante en la base significa que se difunden menos agujeros en el emisor, lo que podría aumentar la corriente de la base. La propagación de portadores de carga desde el emisor hasta la base goza de una gran ventaja.

La base delgada y el emisor altamente dopado ayudan a mantener alta la eficiencia del emisor, como el 99%. Esto corresponde a que el 100 % de la corriente del emisor se comparte entre la base (1 %) y el colector (99 %). La eficiencia del emisor se conoce como α = I K / I E.

Los transistores bipolares pueden tener estructuras NPN y PNP. Compararemos estas dos estructuras en la siguiente figura. La diferencia radica en la polaridad de las uniones PN base-emisor, que se indica mediante la dirección de la flecha del emisor en el símbolo. Apunta en la misma dirección que la flecha en el ánodo del diodo, opuesta a la dirección de los electrones.

Ver el símbolo en la imagen en transición P-N. El comienzo de la flecha y su final corresponden a semiconductores tipo P y tipo N, respectivamente. Para emisores NPN y PNP, la flecha apunta de base a base, respectivamente. No hay ninguna flecha en el colector del símbolo. Sin embargo, la unión base-colector tiene la misma polaridad que el diodo que la unión base-emisor. Tenga en cuenta que estamos hablando de la polaridad del diodo, no de la fuente de alimentación.

Compare un transistor NPN (a) con un transistor PNP (b). Preste atención a la flecha del emisor y la polaridad de la fuente de alimentación.

Las fuentes de tensión de los transistores PNP están invertidas en comparación con los transistores NPN, como se muestra en la figura anterior. La unión base-emisor debe tener polarización directa en ambos casos. La base del transistor PNP está polarizada negativamente (b), en comparación con la positiva (a) del transistor NPN. En ambos casos, la unión base-colector está polarizada en la dirección opuesta. La fuente de alimentación del colector de un transistor PNP tiene una polaridad negativa, en comparación con la polaridad positiva de un transistor NPN.

Transistor de unión bipolar (BJT): (a) sección transversal del dispositivo individual, (b) símbolo, (c) sección transversal del circuito integrado.

Tenga en cuenta que el transistor bipolar (BJT) en (a) arriba tiene un emisor fuertemente dopado, denotado N+. La base tiene un nivel normal de dopaje P. La base es mucho más delgada de lo que se muestra en la sección transversal que no está a escala. El colector está ligeramente dopado, lo que se indica con N - . El colector debe doparse tan ligeramente que la unión colector-base tenga Alto voltaje desglose. Esto da como resultado un voltaje de suministro de energía del colector permisible alto. El voltaje de ruptura para los transistores de silicio de baja potencia es de 60 a 80 voltios. Para transistores de alto voltaje, puede alcanzar cientos de voltios. El colector también debe estar fuertemente dopado para reducir las pérdidas resistivas si el transistor debe manejar corrientes altas. Estos requisitos en conflicto se cumplen mediante una aleación más fuerte del colector en el área del contacto metálico. El colector cerca de la base está ligeramente dopado en comparación con el emisor. Un fuerte dopaje en el emisor da como resultado un bajo voltaje de ruptura entre el emisor y la base, que es de aproximadamente 7 voltios para transistores de baja potencia. El emisor altamente dopado hace que la unión base-emisor con polarización inversa sea similar en rendimiento a un diodo zener.

La base de un transistor de unión bipolar, una placa semiconductora, es un colector montado (en el caso de transistores de alta potencia) en una caja de metal. Es decir, la caja metálica está conectada eléctricamente al colector. La base de los transistores de baja potencia se puede encapsular en epoxi. En transistores de alta potencia, aluminio cables de conexion están conectados a la base y al emisor y conectados a los cables del cuerpo. Las bases de los transistores de baja potencia se pueden instalar directamente en los conductores de salida. Se pueden hacer varios transistores en un chip, que se llamará circuito integrado. El colector puede incluso instalarse no en la caja, sino en la salida. Un circuito integrado puede contener conductores internos que conectan transistores y otros componentes integrados. El transistor bipolar incorporado que se muestra en la figura (c) anterior es mucho más delgado que el que se muestra en la figura "no a escala". La región P+ aísla múltiples transistores en un solo chip. Una capa de revestimiento de aluminio (no mostrada) interconecta varios transistores y otros componentes. La región del emisor está fuertemente dopada con N+ en comparación con la base y el colector para aumentar la eficiencia del emisor.

Los transistores PNP discretos son casi de la misma calidad que los transistores NPN. Sin embargo, los transistores PNP integrados no son tan buenos como los NPN en un chip de circuito integrado similar. Por lo tanto, los circuitos integrados utilizan al máximo los transistores NPN.

Resumiendo

• Los transistores bipolares conducen la corriente utilizando electrones y huecos en el mismo dispositivo.
• El funcionamiento de un transistor bipolar como amplificador de corriente requiere que la unión colector-base esté polarizada inversamente y la unión emisor-base esté polarizada directamente.
• Un transistor se diferencia de un par de diodos adosados ​​en que la base (capa central) es muy delgada. Esto permite que los portadores de carga mayoritarios del emisor se difundan como portadores minoritarios a través de la base hacia la región de empobrecimiento de la unión base-colector, donde son recogidos por un fuerte campo eléctrico.
• La eficiencia del emisor se mejora con un mayor dopaje en comparación con el colector. Eficiencia del emisor: α = I C / I E , es 0,99 para transistores de baja potencia.
• Ganancia de corriente: β=I C /I B , para transistores de baja potencia está en el rango de 100 a 300.

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

dispositivo de transistor bipolar

La base del dispositivo de transistor bipolar es un material semiconductor. Los primeros cristales semiconductores para transistores estaban hechos de germanio, hoy en día se usan más comúnmente el silicio y el arseniuro de galio. Primero, se produce un material semiconductor puro con un orden bien ordenado. red cristalina. Luego se le da al cristal la forma necesaria y se introduce una impureza especial en su composición (se alea el material), lo que le otorga ciertas propiedades de conductividad eléctrica. Si la conductividad se debe al movimiento de un exceso de electrones, se define como donante (electrónico) de tipo n. Si la conductividad de un semiconductor se debe a la sustitución sucesiva de lugares vacantes, los llamados huecos, por electrones, entonces dicha conductividad se denomina aceptor (hueco) y se denota por conductividad de tipo p.

Foto 1.

El cristal del transistor consta de tres partes (capas) con alternancia secuencial del tipo de conductividad (n-p-n o p-n-p). Las transiciones de una capa a otra forman barreras potenciales. La transición de base a emisor se llama emisor(EP), al coleccionista - coleccionista(KP). La figura 1 muestra la estructura del transistor como simétrica, idealizada. En la práctica, durante la producción, los tamaños de las regiones son significativamente asimétricos, aproximadamente como se muestra en la Figura 2. El área de la unión del colector excede significativamente la unión del emisor. La capa base es muy delgada, del orden de unas pocas micras.

Figura 2.

El principio de funcionamiento de un transistor bipolar.

Cualquier unión p-n de un transistor funciona de manera similar. Cuando se aplica una diferencia de potencial a sus polos, se produce su "desplazamiento". Si la diferencia de potencial aplicada es condicionalmente positiva y la unión p-n se abre, se dice que la unión tiene polarización directa. Cuando se aplica una diferencia de potencial condicionalmente negativa, la transición se polariza inversamente, en la que se bloquea. Una característica del funcionamiento del transistor es que con una polarización positiva de al menos una transición, el área común, llamada base, se satura con electrones o vacantes electrónicas (según el tipo de conductividad del material base), lo que provoca un disminución significativa en la barrera potencial de la segunda transición y, como resultado, su conductancia bajo polarización inversa.

Modos de funcionamiento

Todos los circuitos de conmutación de transistores se pueden dividir en dos tipos: normal y inverso.

figura 3

Circuito de conmutación de transistor normal implica cambiar la conductividad eléctrica de la unión del colector controlando la compensación de la unión del emisor.

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

Con cualquier esquema de conmutación, el transistor puede operar en tres modos: Modo de corte, modo activo y modo de saturación.

Para describir la dirección del trabajo. corriente eléctrica en este artículo, se toma condicionalmente como la dirección de los electrones, es decir del polo negativo de la fuente de alimentación al positivo. Usemos el diagrama de la Figura 4 para esto.

Figura 4

Modo de corte

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

Así, para el régimen de corte, son condición necesaria las siguientes identidades:

ERES<0,6 В

YO B \u003d 0

Modo activo

En el modo activo, la unión del emisor está polarizada hacia adelante hasta el momento del desbloqueo (el comienzo del flujo de corriente) con un voltaje de más de 0,6 V (para transistores de silicio), y la unión del colector está polarizada en la dirección opuesta. . Si la base tiene conductividad tipo p, hay una transferencia (inyección) de electrones del emisor a la base, los cuales se distribuyen instantáneamente en una capa delgada de la base y casi todos llegan al límite del colector. La saturación de la base con electrones conduce a una disminución significativa en el tamaño de la unión del colector, a través del cual los electrones, bajo la acción de un potencial negativo del emisor y la base, se desplazan hacia la región del colector, fluyendo hacia abajo a través del colector. terminal, provocando así la corriente del colector. La capa muy delgada de la base limita su corriente máxima que pasa a través de una sección transversal muy pequeña en la dirección del cable de la base. Pero este pequeño grosor de la base provoca su rápida saturación de electrones. El área de unión tiene un tamaño significativo, lo que crea condiciones para el flujo de una corriente de emisor-colector significativa, que es decenas y cientos de veces mayor que la corriente de base. Así, al pasar corrientes insignificantes a través de la base, podemos crear las condiciones para el paso de corrientes mucho mayores a través del colector. Cuanto mayor sea la corriente de base, mayor será su saturación y mayor la corriente de colector. Este modo le permite controlar (regular) suavemente la conductividad de la unión del colector mediante un cambio (regulación) correspondiente de la corriente base. Esta propiedad del modo activo del transistor se usa en los circuitos de varios amplificadores.

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

Yo E \u003d yo k + YO B

La corriente del colector se puede expresar como:

yo k = α ES DECIR

donde α es el coeficiente de transferencia de corriente del emisor

De las ecuaciones anteriores, se puede obtener lo siguiente:

donde β es el factor de amplificación de corriente base.

Modo de saturación

El límite de aumento de la corriente de base hasta el momento en que la corriente de colector permanece sin cambios determina el punto de máxima saturación de la base con electrones. Un aumento adicional en la corriente de base no cambiará el grado de saturación y de ninguna manera afectará la corriente del colector, puede provocar un sobrecalentamiento del material en el área de contacto de la base y la falla del transistor. En los datos de referencia para transistores se puede indicar la corriente de saturación y la corriente de base máxima admisible, o la tensión de saturación emisor-base y la tensión emisor-base máxima admisible. Estos límites determinan el modo de saturación del transistor en condiciones normales de funcionamiento.

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

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

El caso del trabajo se consideró anteriormente transistor n-p-n estructuras Los transistores P-n-p funcionan de manera similar, pero existen diferencias fundamentales que debe tener en cuenta. Un material semiconductor con conductividad aceptora de tipo p tiene una capacidad de transmisión de electrones relativamente baja, ya que se basa en el principio de la transición de electrones de una vacante (hueco) a otra. Cuando todas las vacantes son reemplazadas por electrones, su movimiento es posible solo cuando las vacantes aparecen en la dirección del movimiento. Con una longitud significativa de la sección de dicho material, tendrá una resistencia eléctrica significativa, lo que genera grandes problemas cuando se usa como el colector y emisor más masivo de transistores bipolares. tipo pnp que cuando se usa en una capa base muy delgada de transistores NPN. El material semiconductor donante de tipo n tiene las propiedades eléctricas de los metales conductores, lo que hace que sea más ventajoso usarlo como emisor y colector, como en los transistores de tipo n-p-n.

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

PD Esta descripción del principio de funcionamiento del transistor se interpretó desde el punto de vista de la teoría rusa, por lo que no existe una descripción de la acción de los campos eléctricos sobre cargas positivas y negativas ficticias. La física rusa permite utilizar modelos mecánicos más simples, más comprensibles y más cercanos a la realidad que las abstracciones en forma de campos eléctricos y magnéticos, cargas positivas y eléctricas, que la escuela tradicional nos desliza a traición. Por esta razón, no recomiendo utilizar la teoría expuesta sin un análisis y una reflexión preliminares al preparar la entrega de los trabajos de control, trabajos finales y otros tipos de trabajos, es posible que sus profesores simplemente no acepten la disidencia, incluso competitiva y bastante coherente desde el punto de vista de la visión del sentido común y la lógica. Además, por mi parte, este es el primer intento de describir el funcionamiento de un dispositivo semiconductor desde la posición de la Física Rusa, que puede ser refinado y complementado en el futuro.