Funcionamiento básico de un transistor de unión bipolar

Cuando los electrones fluyen a través de una unión de diodo con polarización directa, como la unión base-emisor de un transistor, en realidad se necesita una cantidad de tiempo distinta de cero para que se recombinen con los agujeros en el lado P y se neutralicen.

En un transistor NPN, la región base de tipo P se construye de manera que sea tan estrecha que la mayoría de los electrones la atraviesen por completo antes de que se produzca esta recombinación. Una vez que alcanzan la región de agotamiento de la unión base-colector de polarización inversa, que tiene un fuerte campo eléctrico a través de ella, son barridos rápidamente fuera de la región base por completo, creando la corriente del colector.

La corriente total a través de la unión base-emisor está controlada por el voltaje base-emisor, que es independiente del voltaje del colector. Esto se describe mediante la famosa ecuación de Ebers-Moll . Si el colector es de circuito abierto, toda esta corriente sale por la conexión base. Pero siempre que haya al menos una pequeña polarización positiva en la unión colector-base, la mayor parte de la corriente se desvía al colector y solo queda una pequeña fracción para salir de la base.

En un transistor de alta ganancia, menos del 1 % de los electrones se recombinan en la región de la base, donde permanecen como la corriente del emisor de la base, lo que significa que la corriente del colector puede ser 100 veces mayor que la corriente de la base. Este proceso se optimiza mediante un cuidadoso control tanto de la geometría de las tres regiones como de los niveles de dopaje específicos utilizados en cada una de ellas.

Siempre que el transistor esté polarizado en este modo de operación, un pequeño cambio en el voltaje base-emisor (y un cambio correspondientemente pequeño en la corriente base-emisor) provoca un cambio mucho mayor en la corriente colector-emisor. Dependiendo de la impedancia externa conectada al colector, esto también puede causar un gran cambio en el voltaje del colector. El circuito general exhibe ganancia de potencia porque la potencia de salida (ΔV _C × ΔI _C ) es mucho mayor que la potencia de entrada (ΔV _B × ΔI _B ). Según la configuración específica del circuito, esta ganancia de potencia se puede realizar como ganancia de voltaje, ganancia de corriente o una combinación de ambas.

Esencialmente, lo mismo sucede en un transistor PNP, pero ahora debe pensar en los agujeros (la ausencia de un electrón) como el portador de una carga positiva que se desplaza a través de la base tipo N hasta el colector.

Lea y vuelva a leer la excelente respuesta de Dave.

Luego invierte mentalmente lo que está pasando...

Tiene una unión base-emisor con polarización directa, y un circuito externo conectado a la base exige una corriente Ib, que se suministra a partir de electrones provenientes del emisor.

Pero cuando un electrón ingresa a la región de la base, se encuentra con un fuerte campo eléctrico que lo empuja hacia el colector (positivo). La mayoría (una proporción grande y bastante bien definida) de estos electrones se pierden (de la corriente base) y emergen como corriente de colector, por las razones explicadas tan bien en la respuesta de Dave. Entonces, en lugar de un amplificador eficiente, ¡también podría ver el transistor como un proveedor irremediablemente ineficiente de corriente base!

Desde este punto de vista, el circuito base demanda Ib y el emisor la suministra. Pero como subproducto, una corriente mucho mayor (Ic = 100 Ib) se "pierde" en el colector. Que es, por supuesto, lo que realmente queremos.

EDITAR re: comentario: en última instancia (la mayoría, digamos el 99%) los electrones del emisor ingresan a la región del colector.

En última instancia, la corriente del colector debe ser (ligeramente) más pequeña que la corriente del emisor de suministro.

Derecho a ambos.

¿Cuál es el propósito?

1) Una corriente de base muy pequeña controla una corriente de colector grande, y la corriente de emisor es la suma de estas dos.

2) La relación Ic/Ib (hFE o ganancia de corriente) es aproximadamente independiente de la tensión de colector Vce (hasta que Vce sea baja, digamos < 1V). Esto significa que para una elección adecuada de impedancia en el circuito del colector, un pequeño cambio en Ib puede resultar en un gran cambio en Ic y un gran cambio en Vce; de aquí es de donde proviene la ganancia de voltaje.

Entonces, el amplificador de "emisor común" habitual tiene la carga en el circuito del colector y tiene una alta ganancia de corriente y una alta ganancia de voltaje.

Así es como lo veo, espero que agregue algo útil a la discusión:

SEMICONDUCTORES, DIODOS Y TRANSISTORES

ELECTRONES Y AGUJEROS

Pensemos en una fila de monedas de un centavo dispuestas en línea, tocándose, sobre una mesa. Mueva el centavo del extremo derecho un centavo de ancho hacia la derecha, dejando un espacio. Luego sigue moviendo el centavo a la izquierda del espacio hacia el espacio. A medida que avanza, todos los centavos se han movido hacia la derecha y el espacio se ha movido a través de la mesa hacia la izquierda. Ahora imagina los centavos como electrones, y podrás ver cómo los electrones que se mueven en una dirección a través de un semiconductor hacen que los agujeros se muevan en la dirección opuesta.

Para estirar la analogía, podríamos usar pequeños montones de centavos, por lo que muchos tienen que moverse a la derecha antes de que un agujero se mueva a la izquierda. O podríamos tener algunos centavos y mucho espacio para que los agujeros viajen fácilmente a medida que los centavos escasos se mueven a través de los espacios amplios. Estos dos casos modelan las dos formas de silicio dopado, se agregan muchos electrones y tenemos tipo N, muchos huecos (electrones eliminados) y tenemos tipo P. Los tipos se logran mezclando (dopando) el Silicio con pequeñas cantidades de otros metales.

Dado que los electrones tienen que luchar a través de los átomos de un semiconductor, su resistividad es relativamente alta. Los primeros semiconductores usaban germanio, pero, excepto en casos especiales, hoy en día el silicio es la elección universal.

El alambre de cobre se puede visualizar como si tuviera grandes montones de electrones de un centavo, todos juntos, por lo que una corriente es el movimiento de los pocos centavos en la parte superior de los montones, no se producen agujeros en absoluto. Con tantos disponibles para la corriente, la resistividad, como sabemos, es baja.

DIODOS

El diodo semiconductor más común (existen otros tipos especializados) tiene una unión entre el tipo N y el tipo P. Si se aplica un voltaje al diodo, positivo al extremo tipo N y negativo al otro, todos los electrones son atraídos hacia el extremo positivo, dejando huecos en el extremo negativo. Sin apenas electrones en el medio, casi no puede fluir corriente. El diodo tiene "polarización inversa"

Cuando el voltaje se aplica en sentido contrario, negativo en el extremo tipo N y positivo en el tipo P, los electrones son atraídos hacia el centro y pueden cruzarse para cancelar los agujeros en el tipo P y fluir hacia el interior. alambre de conexión En el otro extremo, el voltaje negativo, los electrones son repelidos hacia el medio del diodo, para ser reemplazados por los que fluyen desde el cable, por lo que, en general, una corriente puede fluir fácilmente: el diodo está polarizado hacia adelante.

Las conexiones a un diodo se denominan "ánodo", que es el extremo positivo cuando el diodo tiene polarización directa, y "cátodo", que es el extremo negativo. Los recuerdo por analogía con los mismos términos para las válvulas, que necesitan un alto voltaje positivo (HT para "alta tensión" - mantenga los dedos alejados) en el ánodo para que fluya la corriente. Un buen mnemotécnico para la polaridad de un diodo con polarización directa podría ser PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".

Un diodo varactor aprovecha el hecho de que dos áreas de carga separadas, positiva y negativa, forman un capacitor en bruto. Por lo tanto, se fabrican diodos especialmente diseñados para explotar esto, cuando se polarizan inversamente. El voltaje aplicado separa las cargas, formando una "capa de agotamiento" entre los contactos. El aumento del voltaje inverso aplicado hace que esta capa sea más gruesa, lo que reduce la capacidad y viceversa. Los diodos varactor se usan comúnmente en circuitos sintonizados para variar la frecuencia, reemplazando los condensadores de paletas que se usaban en los días de las válvulas.

TRANSISTORES BIPOLARES

Un transistor bipolar es aquel cuyo funcionamiento depende tanto de electrones como de huecos. Se compone de dos diodos espalda con espalda que comparten una capa central común. Uno de los terminales exteriores es el Colector C y el otro es el Emisor E. La conexión central es la Base B, y forma parte tanto de los diodos CB como BE. Así que tenemos un sándwich de tres capas. En el uso normal, el diodo entre C y B tiene polarización inversa, por lo que, sin la presencia del diodo BE y su efecto, no fluiría corriente, porque todos los electrones son atraídos hacia un extremo de la sección CB y los agujeros para el otro extremo, como en un diodo, por el voltaje aplicado.

El diodo BE tiene polarización directa, por lo que puede fluir una corriente y el circuito externo está configurado para limitar esto a un valor bastante pequeño, pero todavía hay muchos agujeros y electrones que fluyen a través de la base y el emisor.

Ahora la parte inteligente. La conexión común de los diodos CB y BE en la base es muy delgada, por lo que la avalancha de electrones y agujeros en la parte BE reemplaza a los que el voltaje inverso del colector ha extraído, y ahora puede fluir una corriente a través de este diodo CB en la dirección inversa, y luego a través de la unión BE con polarización directa hacia el emisor y hacia el circuito externo.

Creo que es obvio que no se puede hacer un transistor soldando dos diodos espalda con espalda, la acción requiere compartir íntimamente la capa delgada dentro del silicio.

La corriente del colector depende de que fluya una corriente de base, y el transistor está diseñado para que una pequeña corriente en el diodo BE abra el camino para una corriente mucho mayor en la unión CB. Así tenemos amplificación de corriente. Usando caídas de voltaje a través de resistencias externas, esto se puede convertir en amplificación de voltaje.

Estos transistores se llaman "bipolares" porque efectivamente tienen dos uniones.

He evitado cuidadosamente mencionar el tipo de material en los diodos CB y BE, las ideas son las mismas para ambos, y podemos tener NPN o PNP como posibles capas. La flecha, en el emisor, en el símbolo, que muestra la dirección de la corriente del Colector convencional (lo opuesto al flujo de electrones), apunta en la dirección del lado negativo del voltaje CE aplicado, por lo que la corriente está "fuera de P". o en N en el emisor".

TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO, o FET

Hay muchos diseños diferentes de FET, y esta es una mirada muy simple a su principio básico.

Estos son transistores "unipolares", aunque el término no se usa mucho, porque su funcionamiento depende solo de electrones y campos eléctricos, no de agujeros.

Aquí tenemos un solo bloque de silicio dopado, el "canal", con grumos del tipo opuesto en los lados, o como un anillo envolvente. Así que solo tenemos una unión de diodo, que se llama Puerta G, entre los bultos o el anillo y el canal. El canal actúa como una resistencia, con la corriente fluyendo desde un extremo, la fuente S, hasta el otro, el Drenaje D. La unión entre la compuerta y el canal tiene polarización inversa, por lo que no fluye corriente, pero hay un campo eléctrico establecido que tira cargas, electrones o huecos, hacia los lados del canal, dejando menos disponible para la corriente SD. Así tenemos la corriente SD controlada por el voltaje en la puerta.

Tenga en cuenta que este es un dispositivo controlado por voltaje, prácticamente no fluye corriente hacia adentro o hacia afuera de la puerta. Piense en la ley de Ohm: Resistencia = Voltios/Amperios, y vemos que una corriente muy baja significa una Resistencia muy alta, por lo que se dice que el FET tiene una impedancia de entrada muy alta, su principal ventaja sobre Bi-Polar, donde, por Por el contrario, se necesita poco voltaje para enviar la corriente a través de la base, lo que le da una baja impedancia de entrada.