El dispositivo y el funcionamiento del transistor bipolar.

Un transistor es un dispositivo semiconductor activo, con la ayuda de la cual se lleva a cabo la amplificación, conversión y generación de oscilaciones eléctricas. Tal aplicación del transistor se puede observar en tecnología analógica. Aparte de eso transistores También se usan en tecnología digital, donde se usan en modo clave. Pero en los equipos digitales, casi todos los transistores están "ocultos" dentro de los circuitos integrados, y en grandes cantidades y en dimensiones microscópicas.

Aquí ya no nos detendremos demasiado en los electrones, agujeros y átomos, que ya se describieron en las partes anteriores del artículo, pero algo de esto, si es necesario, aún tendrá que ser recordado.

El diodo semiconductor consta de una unión p-n, cuyas propiedades se describieron en la parte anterior del artículo. El transistor, como sabes, consta de dos transiciones, por lo tanto diodo semiconductor puede considerarse como el precursor del transistor, o su mitad.

Si la unión p-n está en reposo, entonces los agujeros y los electrones se distribuyen, como se muestra en la Figura 1, formando una barrera potencial. Trataremos de no olvidar las convenciones de electrones, agujeros e iones que se muestran en esta figura.

Figura 1

¿Cómo es un transistor bipolar?

Dispositivo transistor bipolar simple a primera vista. Para hacer esto, es suficiente crear dos uniones pn en una placa semiconductora, llamada base. Se han descrito algunos métodos para crear una unión pn. en partes anteriores del artículopor lo tanto no repetiremos aquí.

Si la conductividad base es del tipo p, entonces el transistor resultante tendrá la estructura n-p-n (pronunciado "en-pe-en"). Y cuando se usa una placa de tipo n como base, obtenemos un transistor de la estructura p-n-p (pe-en-pe).

Tan pronto como llegó a la base, debe prestar atención a esto: la oblea de semiconductores utilizada como base es muy delgada, mucho más delgada que el emisor y el colector. Esta declaración debe recordarse, ya que será necesaria en el proceso de explicar el funcionamiento del transistor.

Naturalmente, para conectarse al "mundo exterior" de cada región p y n viene la salida del cable. Cada uno de ellos tiene el nombre del área a la que está conectado: emisor, base, colector. Tal transistor se llama transistor bipolar, ya que utiliza dos tipos de portadores de carga: agujeros y electrones. La estructura esquemática de los transistores de ambos tipos se muestra en la Figura 2.

Figura 2

Actualmente, los transistores de silicio se utilizan en mayor medida. Los transistores de germanio son casi completamente obsoletos, siendo reemplazados por silicio, por lo que la historia adicional será sobre ellos, aunque a veces se mencionará germanio. La mayoría de los transistores de silicio tienen una estructura n-p-n, ya que esta estructura es más avanzada tecnológicamente en producción.

Pares complementarios de transistores

Para los transistores de germanio, aparentemente, la estructura p-n-p era más avanzada tecnológicamente, por lo que la mayoría de los transistores de germanio tenían precisamente esta estructura. Aunque, como parte de pares complementarios (transistores cercanos en parámetros, que diferían solo en el tipo de conductividad), también se produjeron transistores de germanio de diferente conductividad, por ejemplo, GT402 (p-n-p) y GT404 (n-p-n).

Tal par se usó como transistores de salida en ULF de varios equipos de radio. Y si los transistores de germanio no modernos han pasado a la historia, entonces se siguen produciendo pares complementarios de transistores de silicio, que van desde transistores en paquetes SMD hasta transistores potentes para etapas de salida de ULF.

Por cierto, los amplificadores de sonido en los transistores de germanio fueron percibidos por los amantes de la música casi como los de tubo. Bueno, tal vez un poco peor, pero mucho mejor que los amplificadores de transistores de silicio. Esto es solo para referencia.

¿Cómo funciona un transistor?

Para comprender cómo funciona el transistor, nuevamente tendremos que volver al mundo de los electrones, los agujeros, los donantes y los aceptores. Es cierto que ahora será algo más simple e incluso más interesante que en las partes anteriores del artículo. Tal comentario tuvo que hacerse para no asustar al lector, para permitir leer todo esto hasta el final.

La Figura 3 anterior muestra la designación gráfica condicional de los transistores en los circuitos eléctricos, y debajo las uniones p-n de los transistores se presentan en forma de diodos semiconductores, que también se incluyen en la dirección opuesta. Esta representación es muy conveniente cuando se verifica el transistor con un multímetro.

Figura 3

Y la figura 4 muestra la estructura interna del transistor.

En esta figura, debe detenerse un poco para considerarlo con más detalle.

Figura 4

Entonces, ¿pasará el actual o no?

Aquí se muestra cómo la fuente de alimentación está conectada al transistor de la estructura n-p-n, y tiene una polaridad tal que está conectada a transistores reales en dispositivos reales. Pero, si observa más de cerca, resulta que la corriente no pasará a través de dos uniones p-n, a través de dos barreras potenciales: no importa cómo cambie la polaridad del voltaje, una de las uniones necesariamente estará en un estado bloqueado, no conductor. Entonces, por ahora, dejemos todo como se muestra en la figura y veamos qué sucede allí.

Corriente no controlada

Cuando enciende la fuente de corriente, como se muestra en la figura, la transición emisor-base (n-p) está en estado abierto y pasará electrones fácilmente en la dirección de izquierda a derecha. Después de lo cual los electrones colisionarán con un emisor de base de unión cerrada (p-n), que detendrá este movimiento, el camino para los electrones se cerrará.

Pero, como siempre y en todas partes, hay excepciones a todas las reglas: algunos electrones muy ágiles podrán superar esta barrera bajo la influencia de la temperatura. Por lo tanto, aunque una corriente insignificante con tal inclusión seguirá siendo. Esta corriente menor se llama corriente inicial o corriente de saturación. El apellido se debe al hecho de que todos los electrones libres que son capaces de superar la barrera potencial a una temperatura dada participan en la formación de esta corriente.

La corriente inicial es incontrolable, está disponible para cualquier transistor, pero al mismo tiempo depende poco del voltaje externo. Si el voltaje aumenta significativamente (dentro del rango razonable indicado en los directorios), la corriente inicial no cambiará mucho. Pero el efecto térmico en esta corriente es muy notable.

Un aumento adicional de la temperatura provoca un aumento en la corriente inicial, que a su vez puede conducir a un calentamiento adicional de la unión pn. Tal inestabilidad térmica puede conducir a la ruptura térmica, destrucción del transistor. Por lo tanto, se deben tomar medidas para enfriar los transistores y no aplicar tensiones extremas a temperaturas elevadas.

Ahora recuerda la base

La inclusión de un transistor de base colgante descrito anteriormente no se aplica en ningún lugar en esquemas prácticos. Por lo tanto, la Figura 5 muestra la inclusión correcta del transistor. Para hacer esto, era necesario aplicar algo de voltaje pequeño a la base en relación con el emisor y en la dirección hacia adelante (recupere el diodo y mire nuevamente la Figura 3).

Figura 5

Si en el caso del diodo, todo parece estar claro, la corriente se abrió y pasó por él, entonces ocurren otros eventos en el transistor. Bajo la acción de la corriente del emisor, los electrones se precipitan a la base con conductividad p desde el emisor con conductividad n. En este caso, parte de los electrones se llenará por agujeros ubicados en la región base y una corriente insignificante fluye a través del terminal base, la corriente base Ib. Aquí es donde debe recordarse que la base es delgada y tiene pocos agujeros.

Los electrones restantes, que no tenían suficientes agujeros en la base delgada, se precipitan hacia el colector y serán extraídos de allí por el mayor potencial de la batería del colector Ek-e. Bajo esta influencia, los electrones superan la segunda barrera potencial y regresan al emisor a través de la batería.

Por lo tanto, un pequeño voltaje aplicado a la unión base-emisor contribuye a abrir la unión base-colector sesgada en la dirección opuesta. En realidad, este es el efecto transistor.

Solo queda considerar cómo este "pequeño voltaje" aplicado a la base afecta la corriente del colector, cuáles son sus valores y relaciones. Pero sobre esta historia en la siguiente parte del artículo sobre transistores.

Continuación del artículo: Características de los transistores bipolares.

Boris Aladyshkin