¿Flujo de agujeros en el transistor?

Se dice que el transistor bipolar tiene flujo de electrones y flujo de agujeros. Se puede entender el movimiento de los electrones, pero los agujeros son parte fija de la estructura atómica / cristalina. ¿Cómo podemos caracterizar su movimiento?

Los agujeros son espacios donde un electrón podría estar pero actualmente no lo está. Como cualquier agujero en el mundo macroscópico, no puedes mover uno; Es una ausencia. Todo lo que puede hacer es llenar el agujero, lo que crea un nuevo agujero en otro lugar. De alguna manera, podemos modelar esto como una partícula imaginaria que fluye en la dirección opuesta de los electrones (y, por lo tanto, en la misma dirección que la corriente), pero no hay una partícula real que se mueva en esa dirección. Como la mayoría de los modelos, es una ficción conveniente que facilita las matemáticas.

Una buena manera de pensar en esto es imaginar una rampa inclinada con una ranura llena de canicas por la pendiente de la rampa. Cuando quitas la canica inferior, la pila detrás de todo cambia hacia abajo y aparece un agujero en la parte superior de la pila.

Si bien es cierto que en los cristales el mecanismo de transporte de carga son los electrones, los agujeros son más que un simple marcador de posición conceptual. Todas las ecuaciones funcionan igual de bien con los agujeros que con los electrones, puede hacer los cálculos y determinar la masa efectiva de los agujeros y la movilidad de los agujeros (que en Si es aproximadamente 2.5 veces más lenta que los electrones). Por lo tanto, no debe tomar el hecho de que no son reales de la misma manera que no tienen efectos reales.

Me gusta esto:

A BCDEFG
 ^ here is a hole between two letters

Ahora míralo "moverse":

AB CDEFG (Actually, B moved left)
ABC DEFG (C moved left)
ABCD EFG
ABCDE FG
ABCDEF G

Los agujeros en realidad no se mueven, pero parece de esa manera. Cuando un electrón hace un movimiento, un agujero se cierra y otro se abre cerca.

Cada vez que una letra se mueve un espacio hacia la izquierda, un agujero también se mueve un espacio hacia la derecha. Podemos considerar esta situación como un movimiento de letras hacia la izquierda, o como un movimiento de agujeros hacia la derecha. Es equivalente.

Tenga en cuenta que en electrónica, la corriente generalmente se describe como un flujo de cargas positivas, desde un nodo con un voltaje más positivo hacia un nodo con un voltaje más negativo. Esto se llama corriente convencional . Pero la corriente real en realidad consiste en electrones que van de negativo a positivo. Esta inversión no importa porque la corriente es solo una abstracción matemática. Todas las ecuaciones que describen el comportamiento del dispositivo funcionan bien.

Los científicos asignaron arbitrariamente etiquetas "positivas" y "negativas" a las cargas, mucho antes de que se conociera la estructura del átomo. Entonces, más tarde salió a la luz que las cargas que realmente se mueven a través de los conductores son las que fueron etiquetadas como "negativas".

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 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 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.

Se puede visualizar que el alambre de cobre tiene grandes pilas de centavos, todos juntos, de modo que una corriente es el movimiento de las pocas monedas en la parte superior de las pilas, no se producen agujeros. Con tantos disponibles para la corriente, la resistividad, como sabemos, es baja.

DIODO

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.

TRANSISTOR BIPOLAR

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 tanto, 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 aquellos que el voltaje del colector inverso se ha alejado, 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 hacia el 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 se puede convertir 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 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 y dentro de N en el emisor ".

TRANSISTOR 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 bultos o el anillo y el canal. El canal actúa como una resistencia, con corriente que fluye desde un extremo, la fuente S, al otro, el drenaje D. La unión entre la puerta y el canal es polarizada inversamente, por lo que no fluye corriente, pero hay un campo eléctrico establecido que atrae 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