Transistor bipolar

Un transistor bipolar es un dispositivo semiconductor de tres electrodos , uno de los tipos de transistores . Se forman dos uniones pn en la estructura del semiconductor, cuya transferencia de carga se lleva a cabo mediante portadores de dos polaridades: electrones y huecos . Es por eso que el dispositivo se llamó "bipolar" (del inglés bipolar ), en contraste con el transistor de campo (unipolar) .

Se utiliza en dispositivos electrónicos para amplificar o generar oscilaciones eléctricas, así como elemento de conmutación (por ejemplo, en circuitos TTL ).

Dispositivo

Un transistor bipolar consta de tres capas semiconductoras con un tipo alterno de conducción de impurezas : emisor (indicado por "E", ing. E ), base ("B", ing. B ) y colector ("K", ing. C ) . Dependiendo del orden de alternancia de las capas, se distinguen los transistores npn (emisor - n - semiconductor , base - p - semiconductor , colector - n - semiconductor) y pnp . Los contactos conductores no rectificadores están conectados a cada una de las capas [2] .

Desde el punto de vista de los tipos de conductividades, las capas de emisor y colector son indistinguibles, pero durante la fabricación difieren significativamente en el grado de dopaje para mejorar los parámetros eléctricos del dispositivo. La capa del colector está ligeramente dopada, lo que aumenta el voltaje del colector permitido. La capa del emisor está fuertemente dopada: la magnitud del voltaje inverso de ruptura de la unión del emisor no es crítica, ya que los transistores generalmente operan en circuitos electrónicos con una unión del emisor con polarización directa. Además, el fuerte dopaje de la capa emisora proporciona una mejor inyección de portadores minoritarios en la capa base, lo que aumenta el coeficiente de transferencia de corriente en los circuitos base comunes. La capa base está ligeramente dopada, ya que se encuentra entre las capas emisora y colectora y debe tener una alta resistencia eléctrica .

El área total de la unión base-emisor es mucho más pequeña que el área de la unión colector-base, lo que aumenta la probabilidad de capturar portadores minoritarios de la capa base y mejora el coeficiente de transferencia. Dado que la unión colector-base generalmente se enciende con polarización inversa en el modo de funcionamiento, la mayor parte del calor disipado por el dispositivo se libera en él y el aumento de su área contribuye a un mejor enfriamiento del cristal. Por lo tanto, en la práctica, un transistor bipolar de uso general es un dispositivo asimétrico (es decir, una conexión inversa, cuando el emisor y el colector están invertidos, no es práctica).

Para aumentar los parámetros de frecuencia (velocidad), se hace más pequeño el espesor de la capa base, ya que ésta, entre otras cosas, determina el tiempo de "vuelo" (difusión en dispositivos sin deriva) de los portadores minoritarios. Pero con una disminución en el grosor de la base, el voltaje de colector límite disminuye, por lo que el grosor de la capa base se elige en base a un compromiso razonable.

Los primeros transistores usaban germanio metálico como material semiconductor . Los dispositivos semiconductores basados en él tienen una serie de desventajas , y en la actualidad (2015) los transistores bipolares están hechos principalmente de silicio monocristalino y arseniuro de galio monocristalino . Debido a la altísima movilidad de los portadores en el arseniuro de galio, los dispositivos a base de arseniuro de galio tienen alta velocidad y se utilizan en circuitos lógicos ultrarrápidos y en circuitos amplificadores de microondas .

Cómo funciona

En el modo de operación de amplificación activa, el transistor se enciende de modo que su unión del emisor esté polarizada en directa [3] (abierta), y la unión del colector esté polarizada en inversa (cerrada).

En un transistor de tipo npn [4] , los principales portadores de carga en el emisor (electrones) 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 es muy delgada y está 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 [5] . El fuerte campo eléctrico de una unión de colector con polarización inversa captura los portadores minoritarios de la base (electrones) y los transfiere a la capa del colector. La corriente del colector, por lo tanto, es prácticamente igual a la corriente del emisor, con la excepción de una pequeña pérdida de recombinación en la base, que forma la corriente de base ( I e \u003d I b + I k ).

El coeficiente α, que conecta la corriente del emisor y la corriente del colector ( I k \u003d α I e ), se denomina coeficiente de transferencia de corriente del emisor . El valor numérico del coeficiente α = 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 del colector es proporcional a la corriente base, el factor de proporcionalidad es β = α / (1 - α), de 10 a 1000. Por lo tanto, una pequeña corriente base impulsa un colector mucho más grande. Actual.

Modos de funcionamiento

Voltajes emisor, base , colector ( ) ${\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C))$	Compensación de unión base-emisor para tipo npn	Compensación de unión base-colector para tipo npn	Modo para tipo npn
$U_{E}<U_{B}<U_{C}$	directo	reverso	modo activo normal
$U_{E}<U_{B}>U_{C}$	directo	directo	modo de saturación
$U_{E}>U_{B}<U_{C}$	reverso	reverso	modo de corte
$U_{E}>U_{B}>U_{C}$	reverso	directo	modo activo inverso
Voltajes emisor, base , colector ( ) ${\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C))$	Compensación de unión base-emisor para tipo pnp	Compensación de unión base-colector para tipo pnp	Modo para tipo pnp
$U_{E}<U_{B}<U_{C}$	reverso	directo	modo activo inverso
$U_{E}<U_{B}>U_{C}$	reverso	reverso	modo de corte
$U_{E}>U_{B}<U_{C}$	directo	directo	modo de saturación
$U_{E}>U_{B}>U_{C}$	directo	reverso	modo activo normal

Modo activo normal

La unión emisor-base está encendida en la dirección de avance [3] (abierta), y la unión colector-base está en la dirección inversa (cerrada):

UEB < 0 ; U KB > 0 (para un transistor de tipo npn ), para un transistor de tipo pnp , la condición 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 tipo npn ).

Modo de saturación

Ambas uniones pn tienen polarización directa (ambas abiertas). Si las uniones p-n del emisor y del colector están conectadas 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 por el campo eléctrico creado por fuentes externas Ueb y Ucb . 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, llamado las corrientes de saturación del emisor ( I e. us ) y colector ( I K. us ).

El voltaje de saturación del colector-emisor ( UKE.us ) es la caída de voltaje a través de un transistor abierto (el análogo semántico de RSI.abierto para transistores de efecto de campo). De manera similar , el voltaje de saturación base-emisor (U BE.us ) es la caída de voltaje entre la base y el emisor en un transistor abierto.

Modo de corte

En este modo, la unión pn del colector está polarizada en la dirección opuesta, y tanto la polarización directa como la inversa pueden aplicarse a la unión del emisor, sin exceder el valor umbral en el que comienza la emisión de portadores de carga menores a la región base desde el emisor. (para transistores de silicio, aproximadamente 0,6-0,7 V).

El modo de corte corresponde a la condición U EB <0.6—0.7 V, o I B =0 [6] [7] .

Modo barrera

En este modo , la base de CC del transistor se cortocircuita a través de una pequeña resistencia con su colector , y se conecta una resistencia al circuito colector o emisor del transistor, que establece la corriente a través del transistor. En este sentido, 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 actual I out / I in .
Impedancia de entrada R en \ u003d U en / I en .

Esquema de conmutación con una 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.
Ganancia de corriente: I out / I in = I to / I e = α [α<1].
Resistencia de entrada R in \ u003d U in / I in \ u003d U eb / I e .

La resistencia de entrada ( impedancia de entrada ) de una etapa amplificadora con una base común no depende mucho de la corriente del emisor, con un aumento en la corriente disminuye y no excede las unidades: cientos de ohmios para etapas de baja potencia, ya que el circuito de entrada de la etapa es una unión de emisor abierta 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.

Defectos

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

Ganancia de corriente: I out / I in = I to / I b = I to / ( I e -I to ) = α / (1-α) = β [β>> 1].
Resistencia de entrada: R in \ u003d U in / I in \ u003d U be / I 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

Ganancia de corriente: I out / I in = I e / I b = I e / ( I e -I k ) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
Resistencia de entrada: R in \ u003d U in / I in \ u003d ( U be + U ke ) / I 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 denomina " seguidor de emisor ".

Parámetros básicos

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 de emisor, colector y base a corriente alterna r e , r to , r b , que son:
- r e es la suma de las resistencias de la región emisora y la unión emisora;
- rk es la suma de las resistencias de la región del colector y la unión del colector;
- r b - resistencia transversal de la base.

Los parámetros secundarios son diferentes para diferentes circuitos de conmutación de transistores y, debido a su no linealidad, son válidos solo para frecuencias bajas y amplitudes de señal pequeñas. 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 ".

Resistencia de entrada : la resistencia del transistor a la entrada de CA cuando la salida está en cortocircuito. 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 \ u003d U m1 / I m1 , con U m2 \u003d 0.

El coeficiente de retroalimentación de voltaje muestra qué proporción del voltaje de CA de salida 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 \ u003d U m1 / U m2 , con I m1 \u003d 0.

El coeficiente de transferencia de corriente (ganancia de corriente) indica la amplificación 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 \ u003d I m2 / I m1 , con U m2 \u003d 0.

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

h 22 \ u003d I m2 / U m2 , con I m1 \u003d 0.

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

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ; Yo m2 \ u003d h 21 Yo m1 + h 22 U m2 .

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: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . Por ejemplo, para este esquema:

h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.

Para el esquema OB: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .

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

$h_{{11\backepsilon }}=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}$ ;

$h_{{12\backepsilon}}\approx {\frac {r_{\backepsilon}}{r_{\kappa}(1-\alpha)))$ ;

$h_{{21\backepsilon }}=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}$ ;

$h_{{22\backepsilon }}\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )))$ .

Con el aumento de la frecuencia, la capacitancia de la unión del colector C to comienza a tener un efecto notable en el funcionamiento del transistor . Su reactancia disminuye, desviando la carga y por lo tanto reduciendo las ganancias α y β. La resistencia de la unión del emisor C e también disminuye, sin embargo, se desvía por una resistencia de unión baja r e y en la mayoría de los casos se puede ignorar. Además, con el aumento de la frecuencia, se produce una disminución adicional en el coeficiente β como resultado del retraso de la fase de corriente del colector de la fase de corriente del emisor, que es causada por la inercia del proceso de mover los portadores a través de la base desde el emisor. unión 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 límite del coeficiente de transferencia de corriente para los circuitos OB y OE, respectivamente.

En el modo pulsado, la corriente del colector cambia con un retraso por el tiempo de retraso 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. Con la acumulación de portadores en la base, la corriente de colector aumenta durante la duración del frente τ f . El tiempo de encendido del transistor se llama τ en \ u003d τ c + τ f .

Corrientes en un transistor

Las corrientes en un transistor bipolar tienen dos componentes principales.

La corriente de los portadores principales del emisor I E , que pasa parcialmente al colector, formando la corriente de los portadores principales del colector I al principal , se recombina parcialmente con los portadores principales de la base, formando una corriente de base recombinante I hermano _
La corriente minoritaria de colector que fluye a través de una unión de colector con polarización inversa, formando una corriente de colector inversa I kbo .

Transistor bipolar de microondas

Los transistores de microondas bipolares (microondas BT) se utilizan para amplificar oscilaciones con una frecuencia superior a 0,3 GHz [8] . El límite de frecuencia superior de microondas BT con una potencia de salida de más de 1 W es de aproximadamente 10 GHz. La mayoría de los BT de microondas de alta potencia tienen una estructura de tipo npn [9] . De acuerdo con el método de formación de transiciones, los BT de microondas son epitaxiales-planares . Todos los BT de microondas, excepto los de menor potencia, tienen una estructura multiemisor (peine, malla) [10] . Según la potencia de los microondas BT se dividen en de baja potencia (potencia disipada hasta 0,3 W), potencia media (de 0,3 a 1,5 W) y potente (más de 1,5 W) [11] . Se produce una gran cantidad de tipos altamente especializados de microondas BT [11] .

Tecnología de transistores

epitaxial - plano
Aleación de difusión.

Aplicaciones de los transistores

Amplificadores , etapas de amplificación
Generador de señales
modulador
Demodulador (Detector)
Inversor (elemento log.)
Microcircuitos de lógica de transistores (ver lógica de transistor-transistor, lógica de diodo-transistor, lógica de resistencia-transistor )

Véase también

Notas

↑ GOST 2.730-73 Sistema unificado para documentación de diseño. Designaciones gráficas condicionales en esquemas. Dispositivos semiconductores. . Consultado el 4 de noviembre de 2020. Archivado desde el original el 22 de agosto de 2018. (indefinido)
↑ Contacto no rectificador u óhmico : el contacto de dos materiales diferentes, cuya característica de corriente-voltaje es simétrica cuando cambia la polaridad y es casi lineal.
↑ 1 2 La polarización directa de la unión pn significa que la región de tipo p tiene un potencial positivo en relación con la región de tipo n.
↑ Para el caso pnp , todos los argumentos son similares con el reemplazo de la palabra "electrones" por "agujeros" y viceversa, así como con el reemplazo de todos los voltajes con el signo opuesto.
↑ Lavrentiev B. F. Circuitos de medios electrónicos . - M. : Centro Editorial "Academia", 2010. - S. 53 -68. — 336 pág. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
↑ Conferencia n.° 7: Transistor bipolar como un activo de cuatro polos, parámetros h . Consultado el 25 de marzo de 2016. Archivado desde el original el 7 de abril de 2016. (indefinido)
↑ Fundamentos físicos de la electrónica: método. instrucciones para el trabajo de laboratorio / comp. V. K. Usoltsev. - Vladivostok: Editorial de la Universidad Técnica Estatal del Lejano Oriente, 2007. - 50 p.: il.
↑ Kuleshov, 2008 , pág. 284.
↑ Kuleshov, 2008 , pág. 285.
↑ Kuleshov, 2008 , pág. 286.
↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , pág. 292.

Enlaces

Referencia en línea de parámetros de transistores bipolares Archivado el 15 de marzo de 2022 en Wayback Machine .
El principio de funcionamiento de los transistores bipolares.

Literatura

Spiridonov N. S. Fundamentos de la teoría de transistores. - K. : Técnica, 1969. - 300 p.
Kuleshov V.N., Udalov N.N., Bogachev V.M. y otros Generación de oscilaciones y formación de señales de radio. - M. : MPEI, 2008. - 416 p. - ISBN 978-5-383-00224-7 .

Componentes electrónicos
Pasivo	Resistor Resistencia variable Resistencia de corte varistor fotorresistencia Condensador condensador variable Condensador de recorte Varikond Inductor Transformador resonador de cuarzo Fusible Fusible reiniciable memristor bartter
Estado sólido activo	Diodo Diodo emisor de luz Fotodiodo diodo láser Diodo Schottky diodo Zener Estabilizador varicap Magnetodiodo Puente de diodos diodo de gunn diodo túnel diodo de avalancha diodo de avalancha Transistor transistor bipolar Transistor de efecto de campo Transistores CMOS transistor uniunión fototransistor Transistor compuesto transistor balístico Circuito integrado Circuito integrado digital Circuito integrado analógico Circuito Integrado Analógico-Digital circuito integrado hibrido tiristor Triac dinistor fototiristor Optoacoplador ( optoacoplador de resistencia ) Sensor de pasillo
Vacío activo y descarga de gas	Lámparas de vacío Diodo de electrovacío ( Kenotron ) triodo tetrodo tetrodo de haz Pentodo hexágono Heptod ( pentagrid ) octubre Nonod mecatrón lámparas de descarga diodo Zener tiratrón Ignitrón Krytrón Trigatrón Decathron magnetrón Klystron Amplitron ( Platinotrón ) Lámpara de ondas viajeras Lámpara de onda trasera Tubo de rayos catódicos
Dispositivos de visualización	Tubo de rayos catódicos pantalla LCD Diodo emisor de luz Indicador de descarga Indicador fluorescente de vacío marcador intermitente Indicador de siete segmentos Indicador de matriz cinescopio
Acústico	Micrófono Altavoz Galga extensiométrica emisor piezocerámico Zumbador capsula telefonica
Termoeléctrico	termistor Par termoeléctrico El elemento Peltier