Funcionamiento básico de un transistor de unión bipolar
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He intentado realmente comprender el principio operativo básico de un transistor. Me he referido a muchos libros y he estado en foros, pero nunca he recibido una respuesta convincente.
Aquí están las cosas que quiero entender:
Un transistor es similar a un diodo de polarización inversa a menos que se aplique un voltaje a la base. Dado que la unión Emisor-Base está polarizada hacia adelante, habrá conducción de, digamos, electrones (npn). ¿Qué pasa entonces? ¿Es cierto que estos electrones de la Base rompen la barrera de la unión Colector-Base y luego la corriente combinada pasa al Emisor? (IB + IC = IE)
¿Y por qué nos estamos volviendo más actuales? ¿Dónde está la amplificación? No puede ser como crear algo de la nada. Sé que me estoy perdiendo un punto crucial aquí. ¿Alguien puede explicarme claramente en términos simples?
Cuando los electrones fluyen a través de una unión de diodos polarizados hacia adelante, como la unión base-emisor de un transistor, en realidad les toma una cantidad de tiempo distinta de cero para recombinarse con agujeros en el lado P y neutralizarse.
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 atraviesan antes de que ocurra esta recombinación. Una vez que alcanzan la región de agotamiento de la unión del colector de base con polarización inversa, que tiene un fuerte campo eléctrico a través de él, son barridos rápidamente de la región de la base, creando la corriente del colector.
La corriente total a través de la unión base-emisor es controlada por el voltaje base-emisor, que es independiente del voltaje del colector. Esto es descrito por la famosa ecuación de Ebers-Moll . Si el colector es de circuito abierto, toda esta corriente fluye por la conexión base. Pero mientras haya al menos un pequeño sesgo positivo en la unión de la base del colector, 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 base, donde permanecen como la corriente del emisor base, lo que significa que la corriente del colector puede ser 100 veces o más la corriente base. Este proceso se optimiza mediante un control cuidadoso de la geometría de las tres regiones y los niveles de dopaje específicos utilizados en cada una de ellas.
Mientras el transistor esté polarizado en este modo de operación, un pequeño cambio en el voltaje del emisor base (y un cambio correspondientemente pequeño en la corriente del emisor base) provoca un cambio mucho mayor en la corriente del 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 ). Dependiendo de 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, sucede lo mismo 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 de tipo N hasta el colector.
Bien. Entonces, debido a la base estrecha y al menor tiempo, la recombinación no tiene lugar. Y los electrones se derivan a la región del colector que forma la corriente del colector. Pero no entiendo dónde y por qué es la amplificación en todo este proceso. Dado que la corriente del colector no es más que una parte de la corriente en la unión np polarizada hacia adelante que pasa de la base al colector, ¿de dónde obtenemos más ganancia de corriente o corriente? Por qué y cómo la variación en la corriente base causa variación en la corriente del colector. ¡Por favor explícame!
Aditya Patil
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La amplificación no ocurre dentro del transistor; La amplificación es un concepto relacionado con el circuito general en el que se encuentra. El punto es que el transistor es un dispositivo que puede causar grandes cambios en la corriente del colector a partir de pequeños cambios en la corriente base. Este hecho puede usarse para crear circuitos que tengan amplificación de voltaje, amplificación de corriente o ambas. En todos los casos, la potencia de salida de la señal es mayor que la potencia de entrada de la señal. La potencia extra en la salida proviene de la fuente de alimentación del circuito.
Dave Tweed
Hola. Leí toda la discusión anterior que habla sobre las corrientes de CC en el transistor cuando no se aplica ninguna señal de entrada externa. Ahora, supongamos que aplico algunas señales de mV entre la unión del emisor base. ¿Podría explicar cómo se amplifica esta señal de entrada de algunos mV en el transistor?
Yuv
@yuvi: No, no es posible proporcionar tal explicación sin el contexto de un circuito específico. Además, EESE no es el lugar para tal discusión, que puede (y lo hace) llenar libros enteros.
Dave Tweed
@DaveTweed, perdón por la demora. Muchas gracias por tu maravillosa respuesta.
Aditya Patil
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Lea y vuelva a leer la excelente respuesta de Dave.
Luego, invierta mentalmente lo que está sucediendo ...
Tiene una unión de emisor de base con polarización directa, y los circuitos externos conectados a la base requieren una corriente Ib, que se suministra a partir de electrones provenientes del emisor.
Pero cuando un electrón ingresa a la región base, encuentra 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 colectora, por las razones tan bien explicadas 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 exige Ib y el emisor lo suministra. Pero como subproducto, una corriente mucho mayor (Ic = 100Ib) se "pierde" para el colector. Que por supuesto es lo que realmente queremos.
EDITAR re: comentario: en última instancia (la mayoría de, digamos el 99%) los electrones del emisor entran en 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 base muy pequeña controla una corriente de colector grande, y la corriente del emisor es la suma de estos dos.
2) La relación Ic / Ib (hFE o ganancia de corriente) es aproximadamente independiente de la tensión del colector Vce (hasta que Vce sea bajo, 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 proviene la ganancia de voltaje.
Por lo tanto, el amplificador de "emisor común" habitual tiene la carga en el circuito del colector y tiene tanto ganancia de corriente alta como ganancia de alto voltaje.
Gracias Brian Creo que ahora he entendido bastante el proceso real. La definición de amplificación es tan confusa que pensé que algún proceso interno en realidad produce más portadores de carga en el circuito colector. Sin embargo, tengo algunas preguntas más. En última instancia, ¿los electrones emitidos por el emisor van a entrar en la región del colector? Entonces, ¿cuál es el beneficio de hacer todo esto? La corriente del emisor se va a ramificar y una pequeña parte de ella es corriente base y gran parte es corriente de colector. En última instancia, la corriente del colector debe ser menor que la corriente del emisor de suministro, ¿verdad?
Aditya Patil
Si es así, ¿qué se está amplificando? ¿Puedes darme un ejemplo?
Aditya Patil
α1 - αββ= α1 - α= 99
¿Qué se está amplificando? Corriente base
Brian Drummond
Hola. Leí toda la discusión anterior que habla sobre las corrientes de CC en el transistor cuando no se aplica ninguna señal de entrada externa. Ahora, supongamos que aplico algunas señales de mV entre la unión del emisor base. ¿Podría explicar cómo se amplifica esta señal de entrada de algunos mV en el transistor?
Yuv
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Así es como lo veo, espero que agregue algo útil a la discusión:
SEMICONDUCTORES, DIODOS Y TRANSISTORES
ELECTRONES Y AGUJEROS
Pensemos en una hilera de monedas dispuestas en una línea, tocando, sobre una mesa. Mueva el centavo del extremo derecho el ancho de un centavo 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 la brecha se ha movido a través de la mesa hacia la izquierda. Ahora imagine los centavos como electrones, y puede ver cómo los electrones que se mueven en un sentido a través de un semiconductor hacen que los agujeros se muevan en el sentido contrario.
Para estirar la analogía, podríamos usar pequeños montones de centavos, por lo que muchos tienen que moverse justo antes de que un agujero se mueva hacia la izquierda. O podríamos tener unos pocos centavos y mucho espacio para que los agujeros viajen fácilmente a medida que los centavos dispersos se mueven a través de los amplios espacios. Estos dos casos modelan las dos formas de silicio dopado, muchos electrones agregados y tenemos tipo N, muchos agujeros (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, a excepción de casos especiales, hoy en día el silicio es la opción universal.
El alambre de cobre se puede visualizar como si tuviera grandes pilas de centavos, todos juntos, de modo que una corriente es el movimiento de los pocos centavos en la parte superior de las pilas, no se producen agujeros. Con tantos disponibles para la corriente, la resistividad, como sabemos, es baja.
DIODOS
El diodo semiconductor más común (hay otros tipos especializados) tiene una unión entre el tipo N y el tipo P. Si se aplica un voltaje al diodo, positivo al extremo de tipo N y negativo al otro, todos los electrones se tiran al extremo positivo, dejando agujeros en el extremo negativo. Con apenas electrones en el medio, casi no puede fluir corriente. El diodo tiene "polarización inversa"
Cuando el voltaje se aplica de la otra manera, negativo al extremo tipo N y positivo al tipo P, los electrones son atraídos hacia el centro y pueden cruzar para cancelar los agujeros en el tipo P, y fluir hacia el cable de conexión En el otro extremo de voltaje negativo, los electrones son repelidos hacia el centro del diodo, para ser reemplazados por aquellos que se inundan del cable, por lo que en general una corriente puede fluir fácilmente: el diodo está polarizado hacia adelante.
Las conexiones a un diodo se llaman "Ánodo", que es el extremo positivo cuando el diodo está polarizado hacia adelante, y el "Cátodo", que es el extremo negativo. Recuerdo esto por analogía con los mismos términos para válvulas, que necesitan un alto voltaje positivo (HT para "alta tensión" - mantenga sus dedos apagados) en el ánodo para que la corriente fluya. Un buen mnemotécnico para la polaridad de un diodo polarizado hacia adelante podría ser PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".
Un diodo varactor explota el hecho de que dos áreas de carga separadas, positiva y negativa, hacen un condensador crudo. Entonces, los diodos especialmente diseñados están hechos para explotar esto, cuando se invierte la polarización. 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 varactores 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 cuya operación depende tanto de electrones como de agujeros. Se compone de dos diodos consecutivos 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 de los diodos CB y BE. Entonces tenemos un sándwich de tres capas. En 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, ya que todos los electrones se tiran hacia un extremo de la sección CB, y los agujeros a el otro extremo, como en un diodo, por el voltaje aplicado.
El diodo BE está polarizado hacia adelante, 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 se hace muy delgada, por lo que la inundación de electrones y agujeros en la parte BE reemplaza a los que el voltaje del colector inverso ha eliminado, y una corriente ahora puede fluir a través de este diodo CB en la dirección inversa, y luego a través de la unión BE polarizada hacia adelante al Emisor y hacia el circuito externo.
Creo que es obvio que no se puede hacer un transistor soldando dos diodos de forma consecutiva, la acción requiere el intercambio íntimo de la capa delgada dentro del Silicio.
La corriente del colector depende de que fluya una corriente de base, y el transistor está diseñado de modo que una pequeña corriente en el diodo BE abre el camino para una corriente mucho mayor en la unión CB. Así tenemos amplificación actual. Usando caídas de voltaje a través de resistencias externas, esto puede convertirse en amplificación de voltaje.
Estos transistores se denominan "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 simplista a su principio básico.
Estos son transistores "unipolares", aunque el término no se usa con frecuencia, 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 circundante. Por lo tanto, solo tenemos una unión de diodos, que se llama Puerta G, entre los grumos o el anillo y el canal. El canal actúa como una resistencia, con corriente que fluye desde un extremo, la fuente S, hasta el otro, el drenaje D. La unión entre la puerta y el canal tiene polarización inversa, por lo que no fluye corriente, pero hay un campo eléctrico establecido que tira de cargas, electrones o agujeros, a los lados del canal, dejando menos disponible para la corriente SD. Por lo tanto, 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 dentro o fuera 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, dándole una baja impedancia de entrada
Lea y vuelva a leer la excelente respuesta de Dave.
Luego, invierta mentalmente lo que está sucediendo ...
Tiene una unión de emisor de base con polarización directa, y los circuitos externos conectados a la base requieren una corriente Ib, que se suministra a partir de electrones provenientes del emisor.
Pero cuando un electrón ingresa a la región base, encuentra 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 colectora, por las razones tan bien explicadas 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 exige Ib y el emisor lo suministra. Pero como subproducto, una corriente mucho mayor (Ic = 100Ib) se "pierde" para el colector. Que por supuesto es lo que realmente queremos.
EDITAR re: comentario: en última instancia (la mayoría de, digamos el 99%) los electrones del emisor entran en 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 base muy pequeña controla una corriente de colector grande, y la corriente del emisor es la suma de estos dos.
2) La relación Ic / Ib (hFE o ganancia de corriente) es aproximadamente independiente de la tensión del colector Vce (hasta que Vce sea bajo, 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 proviene la ganancia de voltaje.
Por lo tanto, el amplificador de "emisor común" habitual tiene la carga en el circuito del colector y tiene tanto ganancia de corriente alta como ganancia de alto voltaje.
fuente
Así es como lo veo, espero que agregue algo útil a la discusión:
SEMICONDUCTORES, DIODOS Y TRANSISTORES
ELECTRONES Y AGUJEROS
Pensemos en una hilera de monedas dispuestas en una línea, tocando, sobre una mesa. Mueva el centavo del extremo derecho el ancho de un centavo 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 la brecha se ha movido a través de la mesa hacia la izquierda. Ahora imagine los centavos como electrones, y puede ver cómo los electrones que se mueven en un sentido a través de un semiconductor hacen que los agujeros se muevan en el sentido contrario.
Para estirar la analogía, podríamos usar pequeños montones de centavos, por lo que muchos tienen que moverse justo antes de que un agujero se mueva hacia la izquierda. O podríamos tener unos pocos centavos y mucho espacio para que los agujeros viajen fácilmente a medida que los centavos dispersos se mueven a través de los amplios espacios. Estos dos casos modelan las dos formas de silicio dopado, muchos electrones agregados y tenemos tipo N, muchos agujeros (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, a excepción de casos especiales, hoy en día el silicio es la opción universal.
El alambre de cobre se puede visualizar como si tuviera grandes pilas de centavos, todos juntos, de modo que una corriente es el movimiento de los pocos centavos en la parte superior de las pilas, no se producen agujeros. Con tantos disponibles para la corriente, la resistividad, como sabemos, es baja.
DIODOS
El diodo semiconductor más común (hay otros tipos especializados) tiene una unión entre el tipo N y el tipo P. Si se aplica un voltaje al diodo, positivo al extremo de tipo N y negativo al otro, todos los electrones se tiran al extremo positivo, dejando agujeros en el extremo negativo. Con apenas electrones en el medio, casi no puede fluir corriente. El diodo tiene "polarización inversa"
Cuando el voltaje se aplica de la otra manera, negativo al extremo tipo N y positivo al tipo P, los electrones son atraídos hacia el centro y pueden cruzar para cancelar los agujeros en el tipo P, y fluir hacia el cable de conexión En el otro extremo de voltaje negativo, los electrones son repelidos hacia el centro del diodo, para ser reemplazados por aquellos que se inundan del cable, por lo que en general una corriente puede fluir fácilmente: el diodo está polarizado hacia adelante.
Las conexiones a un diodo se llaman "Ánodo", que es el extremo positivo cuando el diodo está polarizado hacia adelante, y el "Cátodo", que es el extremo negativo. Recuerdo esto por analogía con los mismos términos para válvulas, que necesitan un alto voltaje positivo (HT para "alta tensión" - mantenga sus dedos apagados) en el ánodo para que la corriente fluya. Un buen mnemotécnico para la polaridad de un diodo polarizado hacia adelante podría ser PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".
Un diodo varactor explota el hecho de que dos áreas de carga separadas, positiva y negativa, hacen un condensador crudo. Entonces, los diodos especialmente diseñados están hechos para explotar esto, cuando se invierte la polarización. 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 varactores 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 cuya operación depende tanto de electrones como de agujeros. Se compone de dos diodos consecutivos 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 de los diodos CB y BE. Entonces tenemos un sándwich de tres capas. En 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, ya que todos los electrones se tiran hacia un extremo de la sección CB, y los agujeros a el otro extremo, como en un diodo, por el voltaje aplicado.
El diodo BE está polarizado hacia adelante, 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 se hace muy delgada, por lo que la inundación de electrones y agujeros en la parte BE reemplaza a los que el voltaje del colector inverso ha eliminado, y una corriente ahora puede fluir a través de este diodo CB en la dirección inversa, y luego a través de la unión BE polarizada hacia adelante al Emisor y hacia el circuito externo.
Creo que es obvio que no se puede hacer un transistor soldando dos diodos de forma consecutiva, la acción requiere el intercambio íntimo de la capa delgada dentro del Silicio.
La corriente del colector depende de que fluya una corriente de base, y el transistor está diseñado de modo que una pequeña corriente en el diodo BE abre el camino para una corriente mucho mayor en la unión CB. Así tenemos amplificación actual. Usando caídas de voltaje a través de resistencias externas, esto puede convertirse en amplificación de voltaje.
Estos transistores se denominan "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 simplista a su principio básico.
Estos son transistores "unipolares", aunque el término no se usa con frecuencia, 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 circundante. Por lo tanto, solo tenemos una unión de diodos, que se llama Puerta G, entre los grumos o el anillo y el canal. El canal actúa como una resistencia, con corriente que fluye desde un extremo, la fuente S, hasta el otro, el drenaje D. La unión entre la puerta y el canal tiene polarización inversa, por lo que no fluye corriente, pero hay un campo eléctrico establecido que tira de cargas, electrones o agujeros, a los lados del canal, dejando menos disponible para la corriente SD. Por lo tanto, 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 dentro o fuera 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, dándole una baja impedancia de entrada
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