O dispositivo e operação do transistor bipolar

Um transistor é um dispositivo semicondutor ativo, com a ajuda da qual são realizadas amplificação, conversão e geração de oscilações elétricas. Essa aplicação do transistor pode ser observada na tecnologia analógica. Fora isso transistores Eles também são usados ​​na tecnologia digital, onde são usados ​​no modo de chave. Porém, em equipamentos digitais, quase todos os transistores estão "ocultos" dentro de circuitos integrados, em grandes quantidades e em tamanhos microscópicos.

Aqui, não vamos nos concentrar muito nos elétrons, buracos e átomos, que já foram descritos nas partes anteriores do artigo, mas parte disso, se necessário, ainda precisará ser lembrada.

O diodo semicondutor consiste em uma junção p-n, cujas propriedades foram descritas na parte anterior do artigo. O transistor, como você sabe, consiste em duas transições, portanto diodo semicondutor pode ser considerado como o precursor do transistor ou sua metade.

Se a junção p-n estiver em repouso, os orifícios e elétrons serão distribuídos, conforme mostrado na Figura 1, formando uma barreira potencial. Vamos tentar não esquecer as convenções de elétrons, buracos e íons mostrados nesta figura.

Figura 1

Como é um transistor bipolar

Dispositivo transistor bipolar simples à primeira vista. Para fazer isso, basta criar duas junções pn em uma placa de semicondutor, chamada base. Alguns métodos para criar uma junção pn foram descritos. nas partes anteriores do artigoportanto, não repetiremos aqui.

Se a condutividade básica for do tipo p, o transistor resultante terá a estrutura n-p-n (pronunciado "en-pe-en"). E quando uma placa do tipo n é usada como base, obtemos um transistor da estrutura p-n-p (pe-en-pe).

Assim que chegar à base, você deve prestar atenção a isso: a pastilha semicondutora usada como base é muito fina, muito mais fina que o emissor e o coletor. Essa afirmação deve ser lembrada, porque será necessária no processo de explicação da operação do transistor.

Naturalmente, para conectar-se ao "mundo exterior" de cada região p e n, vem a saída do fio. Cada um deles tem o nome da área à qual está conectado: emissor, base, coletor. Esse transistor é chamado de transistor bipolar, pois utiliza dois tipos de portadores de carga - orifícios e elétrons. A estrutura esquemática dos transistores dos dois tipos é mostrada na Figura 2.

Figura 2

Atualmente, os transistores de silício são usados ​​em maior extensão. Os transistores de germânio são quase completamente obsoletos, sendo suplantados pelo silício; portanto, a história adicional será sobre eles, embora o germânio às vezes seja mencionado. A maioria dos transistores de silício possui uma estrutura n-p-n, uma vez que essa estrutura é tecnologicamente mais avançada na produção.

Pares complementares de transistores

Para os transistores de germânio, aparentemente, a estrutura p-n-p era tecnologicamente mais avançada, de modo que os transistores de germânio geralmente possuíam exatamente essa estrutura. Embora, como parte de pares complementares (transistores se aproximem em parâmetros, que diferem apenas no tipo de condutividade), transistores de germânio de diferentes condutividades também foram produzidos, por exemplo, GT402 (p-n-p) e GT404 (n-p-n).

Esse par foi usado como transistor de saída no ULF de vários equipamentos de rádio. E se os transistores de germânio não modernos entraram na história, ainda estão sendo produzidos pares complementares de transistores de silício, variando de transistores em pacotes SMD a transistores poderosos para estágios de saída da ULF.

A propósito, os amplificadores de som nos transistores de germânio eram percebidos pelos amantes de música quase como os de tubo. Bem, talvez um pouco pior, mas muito melhor do que os amplificadores de transistor de silício. Isto é apenas para referência.

Como um transistor funciona

Para entender como o transistor funciona, teremos que voltar novamente ao mundo dos elétrons, orifícios, doadores e aceitadores. É verdade que agora será um pouco mais simples e ainda mais interessante do que nas partes anteriores do artigo. Tal observação teve que ser feita para não assustar o leitor, para permitir ler tudo isso até o fim.

A Figura 3 acima mostra a designação gráfica condicional dos transistores nos circuitos elétricos, e abaixo das junções p-n dos transistores são apresentadas na forma de diodos semicondutores, que também estão incluídos no oposto. Essa representação é muito conveniente ao verificar o transistor com um multímetro.

Figura 3

E a figura 4 mostra a estrutura interna do transistor.

Nesta figura, você deve demorar um pouco para considerá-la com mais detalhes.

Figura 4

Então, a corrente passará ou não?

Aqui é mostrado como a fonte de energia é conectada ao transistor da estrutura n-p-n, e é com uma polaridade tal que é conectada a transistores reais em dispositivos reais. Mas, se você olhar mais de perto, a corrente não passará por duas junções p-n, por duas barreiras em potencial: não importa como você altera a polaridade da tensão, uma das junções estará necessariamente em um estado bloqueado e não condutor. Então, por enquanto, vamos deixar tudo como mostrado na figura e ver o que acontece lá.

Corrente não controlada

Quando você liga a fonte de corrente, conforme mostrado na figura, a transição base do emissor (n-p) fica no estado aberto e permite que os elétrons passem facilmente da esquerda para a direita. Após o qual os elétrons colidirão com um emissor de base de junção fechado (p-n), que interromperá esse movimento, o caminho para os elétrons será fechado.

Mas, como sempre e em toda parte, há exceções a todas as regras: alguns elétrons muito ágeis serão capazes de superar essa barreira sob a influência da temperatura. Portanto, embora uma corrente insignificante com essa inclusão ainda seja. Essa corrente menor é chamada corrente inicial ou corrente de saturação. O sobrenome se deve ao fato de que todos os elétrons livres capazes de superar a barreira potencial a uma dada temperatura participam da formação dessa corrente.

A corrente inicial é incontrolável, está disponível para qualquer transistor, mas ao mesmo tempo depende pouco da tensão externa. Se a tensão aumentar significativamente (dentro da faixa razoável indicada nos diretórios), a corrente inicial não mudará muito. Mas o efeito térmico nesta corrente é muito perceptível.

Um aumento adicional na temperatura causa um aumento na corrente inicial, o que, por sua vez, pode levar ao aquecimento adicional da junção pn. Essa instabilidade térmica pode levar à ruptura térmica, destruição do transistor. Portanto, devem ser tomadas medidas para resfriar os transistores e não aplicar tensões extremas a temperaturas elevadas.

Agora lembre-se da base

A inclusão de um transistor de base oscilante descrito acima não é aplicada em nenhum lugar em esquemas práticos. Portanto, a Figura 5 mostra a inclusão correta do transistor. Para fazer isso, foi necessário aplicar um pouco de tensão pequena na base em relação ao emissor e na direção direta (lembre-se do diodo e observe novamente a Figura 3).

Figura 5

Se, no caso do diodo, tudo parece estar claro, - a corrente se abriu e passou por ele, então outros eventos ocorrem no transistor. Sob a ação da corrente do emissor, os elétrons correm para a base com condutividade p do emissor com condutividade n. Nesse caso, parte dos elétrons será preenchida por orifícios localizados na região base e uma corrente insignificante flui através do terminal base - a corrente base Ib. É aqui que deve ser lembrado que a base é fina e há poucos furos nela.

Os elétrons restantes, que não tinham furos suficientes na base fina, correm para o coletor e serão extraídos de lá pelo maior potencial da bateria do coletor Ek-e. Sob essa influência, os elétrons superam a segunda barreira potencial e retornam ao emissor através da bateria.

Assim, uma pequena voltagem aplicada à junção emissor-base contribui para abrir a junção coletor-base inclinada na direção oposta. Na verdade, este é o efeito do transistor.

Resta apenas considerar como essa “pequena tensão” aplicada à base afeta a corrente do coletor, quais são seus valores e proporções. Mas sobre essa história na próxima parte do artigo sobre transistores.

Continuação do artigo: Características dos transistores bipolares

Boris Aladyshkin