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Introducción
La invención del transistor bipolar en 1948 marcó el comienzo de una revolución en la electrónica. Proezas técnicas anteriormente requieren relativamente grandes, mecánicamente frágiles, hambrientos de poder los tubos de vacío de repente puede lograr con minúsculas, mecánicamente resistentes y bajo consumo de energía partículas de silicio cristalino. Esta revolución hizo posible el diseño y la fabricación de dispositivos electrónicos ligeros y baratos que ahora damos por sentado. La comprensión de cómo funcionan los transistores es de suma importancia para cualquier persona interesada en la comprensión de la electrónica moderna. Mi intención aquí es centrarse exclusivamente como posible en la función práctica y aplicación de los transistores bipolares, en lugar de explorar el mundo de la teoría cuántica de semiconductores. Las discusiones de huecos y electrones es mejor dejar para otro capítulo en mi opinión. Aquí quiero explorar cómo utilizar estos componentes, sin analizar sus detalles internos íntimas. No me refiero a minimizar la importancia de la comprensión de la física de semiconductores, pero a veces un enfoque intenso en la física de estado sólido, resta valor a la comprensión de las funciones de estos dispositivos a nivel de componente.Al adoptar este enfoque, sin embargo, asumo que el lector posee un conocimiento cierto mínimo de semiconductores: la diferencia entre "P" y "N" semiconductores dopados, las características funcionales de un PN (diodo) confluencia, y los significados de los términos "polarización inversa" y "sesgada hacia adelante." Si estos conceptos no son claros para usted, es mejor referirse a los primeros capítulos de este libro antes de continuar con ésta. Un transistor bipolar se compone de tres capas "sándwich" de los materiales dopados con semiconductores (extrínseca), o bien PNP en la figura a continuación (b) o NPN a (d). Cada capa que forma el transistor tiene un nombre específico, y cada capa está provista de un hilo de contacto para la conexión a un circuito. Los símbolos esquemáticos se muestra en la figura a continuación (a) y (d).
Transistor BJT: (a) PNP esquemática símbolo, (b) la disposición física (c) NPN símbolo, (d) disposición. La diferencia funcional entre un transistor PNP y un transistor NPN es la adecuada desviación (polaridad) de las uniones cuando operan. Para cualquier estado de funcionamiento determinado, las direcciones de las corrientes y las polaridades de voltaje para cada tipo de transistor son exactamente opuestas entre sí. Los transistores bipolares trabajar como corriente regulada actuales reguladores. En otras palabras, los transistores de restringir la cantidad de corriente que pasa de acuerdo con una más pequeña, corriente de control. La corriente principal que está controlada va del colector al emisor, o desde el emisor al colector, dependiendo del tipo de transistor es (PNP o NPN, respectivamente). La pequeña corriente que controla la corriente principal va desde la base al emisor, o desde el emisor a la base, una vez más, en función del tipo de transistor es (PNP o NPN, respectivamente). De acuerdo con las normas de semiconductor simbología, la flecha apunta siempre en contra de la dirección del flujo de electrones. (Figura abajo )
Los transistores bipolares tratarse bien de un PNP o NPN un semiconductor estructura "sandwich". Las tres terminales de un transistor bipolar se llama el Emisor , Base y Colector. Los transistores funcionan como reguladores de corriente al permitir que una pequeña corriente para controlar una corriente más grande. La cantidad de corriente permitida entre colector y el emisor está determinada principalmente por la cantidad de movimiento actual entre base y emisor. Para que un transistor funcione correctamente como un regulador de corriente, la corriente de control (base) y las corrientes controladas (colector) debe estar pasando en las direcciones correctas: mallado de forma aditiva en el emisor y va contra el símbolo de la flecha emisor.
El transistor como conmutador
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Como la corriente de colector de un transistor está limitado proporcionalmente por su corriente de base, que puede ser utilizado como una especie de corriente de interruptor controlado. Un flujo relativamente pequeño de electrones enviados a través de la base del transistor tiene la capacidad de ejercer control sobre un flujo mucho mayor de electrones a través del colector. Supongamos que tenemos una lámpara que quisimos encender y apagar con un interruptor. Tal circuito sería extremadamente simple como en la figura a continuación (a). En aras de la ilustración, vamos a insertar un transistor en lugar del interruptor para mostrar cómo se puede controlar el flujo de electrones a través de la lámpara. Recuerde que la corriente controlada a través de un transistor debe ir entre el colector y el emisor. Puesto que es la corriente a través de la lámpara que se desea controlar, hay que colocar el colector y el emisor del transistor nuestro donde los dos contactos del interruptor eran. También debe asegurarse de que la corriente de la lámpara se moverá contra la dirección del símbolo de flecha emisor para
asegurar que polarizar el transistor de unión será correcta como en la figura a continuación (b).
(A) interruptor mecánico, (b) el interruptor transistor NPN, (c) Interruptor de transistor PNP. Un transistor PNP también podría haber sido elegido para el cargo. Su aplicación se muestra en la figuraanterior (c). La elección entre NPN y PNP es realmente arbitrario. Lo único que importa es que las direcciones actuales se mantienen adecuadas en aras de la unión de polarización correcta (flujo de electrones va en contra de la flecha del símbolo del transistor). Volviendo al transistor NPN en nuestro circuito de ejemplo, nos encontramos con la necesidad de añadir algo más para que podamos tener una base en curso. Sin una conexión con el cable de la base del transistor, la corriente de base será cero, y el transistor no puede activar, lo que resulta en una lámpara que siempre está apagado. Recuerde que para un transistor NPN, la corriente de base debe consistir de electrones que fluyen desde el emisor a la base (contra el símbolo de flecha emisor, al igual que la corriente de la lámpara). Quizás la cosa más simple que hacer sería conectar un interruptor entre los cables de la base y el colector del transistor como en la figura a continuación (a).
Transistor: (a) de corte, lámpara apagada; (b) saturada, lámpara.
Célula solar sirve como sensor de luz. O, podríamos usar un termopar (muchos conectados en serie) para proporcionar la base necesaria corriente para encender el transistor de la figura a continuación.
Un solo termopar proporciona 10s de mV. Muchos en serie podría producir en exceso del transistor V 0,7 VBE para provocar el flujo corriente de base y de colector consecuente corriente a la lámpara. Incluso un micrófono (figura a continuación ) con suficiente salida de voltaje y corriente (de un amplificador) puede convertirse en el transistor, siempre que su salida es rectificada de AC a DC de manera que la unión emisor-base PN dentro del transistor será siempre polarizado :
Señal amplificada micrófono está rectificado a CC sesgo de la base del transistor de proporcionar un colector de corriente mayor. El punto debería ser bastante evidente por ahora: cualquier fuente suficiente de corriente DC puede utilizarse para encender el transistor, y que la fuente de corriente sólo necesita ser una fracción de la corriente necesaria para energizar la lámpara. Aquí podemos ver el funcionamiento transistor no sólo como un interruptor, sino como un verdadero amplificador : utilizando una señal de relativamente baja potencia para controlar una cantidad relativamente grande de energía. Tenga en cuenta que la potencia real para la iluminación de la lámpara viene de la batería a la derecha del esquema. No es como si la señal de corriente pequeña de la célula solar, termopar, o el micrófono está siendo mágicamente transformado en una mayor cantidad de energía. Por el contrario, las fuentes de alimentación pequeñas son simplemente el control de potencia de la batería para encender la lámpara. REVISIÓN: Los transistores pueden ser utilizados como elementos de conmutación para controlar la alimentación de CC a una carga. El conmutada (controlado) actual pasa entre el emisor y el colector, el control actual va entre el emisor y la base. Cuando un transistor tiene cero de la corriente a través de él, se dice que está en un estado de corte (totalmente no conductor). Cuando un transistor tiene corriente máxima a través de él, se dice que está en un estado de saturación (completamente conducción).
real de avance de la unión PN y no sólo si es o no conduce la corriente. Las lecturas del medidor serán exactamente opuestas, por supuesto, para un transistor NPN, con las dos uniones PN mirando hacia el otro. Lecturas bajas de resistencia con el rojo (+) de la base es el "opuesto" condición para el transistor NPN. Si un multímetro con una "verificación de diodo" función se utiliza en esta prueba, se encontró que la unión emisor-base posee una caída de tensión ligeramente mayor que la unión colector- base. Esta diferencia de tensión directa es debido a la disparidad en la concentración de dopaje entre las regiones de emisor y colector del transistor: el emisor es una pieza mucho más fuertemente dopado de material semiconductor que el colector, provocando su unión con la base para producir una tensión más alta hacia adelante caer. Sabiendo esto, se hace posible determinar cuál es el cable que en un transistor no marcado. Esto es importante porque embalaje transistor, por desgracia, no está estandarizado. Todos los transistores bipolares tienen tres cables, por supuesto, pero las posiciones de los tres cables en el paquete físico real no están dispuestos en cualquier orden universal, estandarizado. Supongamos que un técnico encuentra un transistor bipolar y se procede a medir la continuidad con un multímetro ajustado en la "verificación de diodo" modo. Medición entre pares de cables y el registro de los valores mostrados por el contador, el técnico obtiene los datos en la figura a continuación. <="" a="" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(51, 51, 51); font-family: Verdana, Arial, Tahoma, sans-serif; font-size: 13px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 18px; orphans: 2; text- align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); ">
Medidor de tocar alambre 1 (+) y 2 (-): "OL" Meter tocar alambre 1 (-) y 2 (+): "OL" Medidor de tocar alambre 1 (+) y 3 (-): 0,655 V Meter tocar alambre 1 (-) y 3 (+): "OL" Medidor de tocar alambre 2 (+) y 3 (-): 0,621 V Meter tocar alambre 2 (-) y 3 (+): "OL"
Transistor bipolar desconocido. ¿Qué son los terminales de emisor, base y colector? Ω- metro lecturas entre terminales. Las únicas combinaciones de puntos de ensayo que la realización de lecturas del medidor son los hilos 1 y 3 (cable rojo de prueba el 1 y el cable negro de prueba en 3), y los cables 2 y 3 (cable rojo de prueba en 2 y cable de prueba negro en 3). Estas dos lecturas debe indicar de polarización directa de la unión emisor-base (0,655 voltios) y la unión colector-base (0,621 voltios). <="" a="" style="margin: 0px; padding: 0px; ">Ahora buscamos el alambre de una común a ambos grupos de lecturas conductores. Debe ser la conexión de base del transistor, porque la base es la única capa del dispositivo de tres capas común a ambos conjuntos de uniones PN (emisor-base y colector base-). En este ejemplo, que el alambre es el número 3, que es común tanto a la 1-3 y 2-3 de las combinaciones de puntos de prueba. En ambos grupos de lecturas del medidor, el negro (-) del test metro estaba tocando hilos 3, que nos dice que la base de este transistor está hecho de material semiconductor de tipo N (negro = negativo). Por lo tanto, el transistor es un PNP con base en el alambre 3, el emisor y el colector de cable 1 en el alambre 2 como se describe en la figura a continuación. <="" a="" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(51, 51, 51); font-family: Verdana, Arial, Tahoma, sans-serif; font-size: 13px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 18px; orphans: 2; text- align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); ">
Una base pequeña corriente que fluye en la polarización unión base-emisor permite que un gran flujo de corriente a través de la polarización inversa unión base-colector. Una flecha diagonal de color gris indica la dirección del flujo de electrones a través de la unión emisor-base.Esta parte tiene sentido, ya que los electrones fluyen desde el emisor tipo N a la base de P-tipo: la unión es, obviamente en polarización. Sin embargo, la unión base-colector es harina de otro costal. Nótese cómo la flecha gruesa de color gris está apuntando en la dirección del flujo de electrones (hasta-cia) de la base al colector. Con la base de material de tipo P y el colector del material de tipo n, esta dirección del flujo de electrones es claramente hacia atrás a la dirección que normalmente se asocian con una unión PN! A normal unión PN no permitiría que esta "atrasado" dirección del flujo, por lo menos no sin ofrecer una oposición significativa. Sin embargo, un transistor saturado muestra muy poca oposición a los electrones, todo el camino desde el emisor al colector, como se evidencia por la iluminación de la lámpara! Es evidente, entonces, algo está pasando aquí que desafía la simple "de dos diodos" modelo explicativo del transistor bipolar. Cuando yo estaba aprendiendo sobre el funcionamiento del transistor, he tratado de construir mi propio transistor de dos back-to-back diodos, como en la figura a continuación.
Un par de back-to-back diodos no actuar como un transistor! Mi circuito no funciona, y yo estaba desconcertado. Sin embargo el útil "diodo dos" Descripción de un transistor puede ser con fines de prueba, no explica cómo un transistor se comporta como un interruptor controlado. Lo que sucede en un transistor es la siguiente: la polarización inversa de la unión base-colector evita colector de corriente cuando el transistor está en el modo de corte (es decir, cuando no hay corriente de base). Si la unión base-emisor se polariza por la señal de control, la acción normalmente-el bloqueo de la unión base-colector de corriente se anula y se permite a través del colector, a pesar del hecho de que los electrones son el "camino equivocado" que a través de PN unión. Esta acción es dependiente de la física cuántica de uniones semiconductoras, y sólo puede tener lugar cuando las dos uniones están adecuadamente espaciados y las concentraciones de dopaje de las tres capas se proporcionan de forma adecuada. Dos diodos conectados en serie no cumplen con estos criterios, el diodo superior nunca puede "activar" cuando se invierte parcial, sin importar la cantidad de corriente pasa por el diodo inferior en el asa de alambre base. Ver transistores bipolares de unión, Ch 2 para más detalles. Que las concentraciones de dopaje jugar un papel crucial en las habilidades especiales del transistor se evidencia por el hecho de que colector y el emisor no son intercambiables. Si el transistor se vieron simplemente como dos espalda con espalda uniones PN, o simplemente como una llanura NPN o PNP sándwich de materiales, puede parecer como si cada extremo del transistor podría servir como receptor o emisor. Esto, sin embargo, no es cierto. Si está conectado "al revés" en un circuito, la corriente base-colector dejará de controlar la corriente entre colector y emisor. A pesar del hecho de que tanto el emisor y capas de colector de un transistor bipolar son de la misma dopaje tipo (ya sea N o P), colector y el emisor definitivamente no son idénticos! Corriente a través de la unión emisor-base permite que la corriente a través de la polarización inversa unión base- colector. La acción de la corriente de base puede ser pensado como "la apertura de una puerta" para la corriente a través del colector. Más específicamente, cualquier cantidad dada de corriente de emisor-base permite una cantidad limitada de corriente de base a colector. Por cada electrón que pasa a través
algún lugar entre corte y saturación. Este modo de operación se denomina el activo modo. Una analogía del automóvil para operación transistor es la siguiente: punto de corte es la condición de no fuerza motriz generada por las partes mecánicas del vehículo para que se mueva. En el modo de corte, el freno se acciona (cero la corriente de base), evitando el movimiento (corriente de colector). modo activo es el automóvil circula a una velocidad constante y controlada (colector constante, controlado por corriente) como es indicado por el controlador. Saturación la conducción de automóviles en una colina empinada que le impide ir más rápido que el conductor lo desea. En otras palabras, un estado "saturado" del automóvil es uno con el pedal del acelerador presionado completamente hacia abajo (llamado corriente de base para más colector de corriente que puede ser proporcionada por la fuente de alimentación / carga de circuito). Vamos a crear un circuito para simulación SPICE para demostrar lo que sucede cuando un transistor está en su modo activo de funcionamiento. (Figura abajo ) <="" a="" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(51, 51, 51); font-family: Verdana, Arial, Tahoma, sans-serif; font-size: 13px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 18px; orphans: 2; text- align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); "> transistor bipolar simulación i1 0 1 cc 20u q1 2 1 0 mod vammeter 3 2 0 dc v1 3 0 dc
. Mod modelo npn . Dc v1 0 2 0, . Parcela dc i (vammeter) . Extremo Circuito para el "modo activo" simulación SPICE, y netlist. "Q" es la designación de letra estándar para un transistor en un diagrama esquemático, así como "R" es para la resistencia y la "C" es para el condensador. En este circuito, tenemos un transistor
NPN alimentado por una batería (V 1 ) y controlado por corriente a través de una fuente de corriente (I 1 ). Una fuente de corriente es un dispositivo que emite una cantidad específica de corriente, generando tanto o tan poco voltaje a través de sus terminales para asegurar que la cantidad exacta de corriente a través de él. Las fuentes actuales son muy difíciles de encontrar en la naturaleza (a diferencia de las fuentes de tensión, que por el contrario intento de mantener una tensión constante, la salida tanto o tan poco corriente en el cumplimiento de esa tarea), pero se puede simular con una pequeña colección de componentes electrónicos. Como vamos a ver, los transistores mismos tienden a imitar el comportamiento de corriente constante de una fuente de corriente en su capacidad para regular la corriente a un valor fijo. En la simulación SPICE, debemos configurar la fuente de corriente a un valor constante de 20 μA, entonces variar la fuente de voltaje (V 1 ) en un rango de 0 a 2 voltios y controlar la cantidad de corriente pasa a través de él. El "muñeco" de la batería (V (^) amperímetro ) en la figura de arriba con su salida de 0 voltios sólo sirve para proporcionar SPICE con un elemento de circuito de medición de corriente.
absolutamente estable en 2 mA, aunque la batería (v1) tensión varía todo el camino de 0 a 50 voltios. Al parecer, de nuestra simulación que colector-emisor de voltaje tiene poco efecto sobre la corriente del colector, excepto a niveles muy bajos (justo por encima de 0 voltios). El transistor actúa como un regulador de corriente, permitiendo exactamente 2 mA a través del colector y no más. Ahora vamos a ver qué pasa si aumentamos el control (I 1 ) corriente de 20 μA a 75 μA, una vez más, barriendo la batería (V 1 ) voltaje de 0 a 50 voltios y la representación gráfica de la corriente de colector en la figura a continuación. <="" a="" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(51, 51, 51); font-family: Verdana, Arial, Tahoma, sans-serif; font-size: 13px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 18px; orphans: 2; text- align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px; background-color: rgb(255, 255, 255); ">
transistor bipolar simulación i1 0 1 cc 75u q1 2 1 0 mod vammeter 3 2 0 dc v1 3 0 dc
. Mod1 modelo npn . Dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u . Parcela dc i (vammeter) . Extremo
Barrido colector tensión 0 a 50 V (. Dc v1 0 50 2) con una constante corriente de base en 75 rendimientos constantes μA 7,5 mA de corriente de colector. Otras curvas son generados por barrido actual (i1 15u 75u 15u) en la declaración de análisis de CC (. Dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u). No es sorprendente, SPICE nos da una gráfica similar: una línea plana, manteniéndose esta vez en 7,5 mA - exactamente 100 veces la intensidad de base - en el rango de voltajes de la batería de justo por encima de 0 voltios a 50 voltios. Parece que la corriente de base es el factor decisivo para colector de corriente, la V 1 tensión de la batería no es relevante, siempre y cuando está por encima de un cierto nivel mínimo. Esta relación tensión / corriente es completamente diferente de lo que estamos acostumbrados a ver a través de una resistencia. Con una resistencia, la corriente
aumenta linealmente a medida que el voltaje a través de ella aumenta. Aquí, con un transistor, la corriente de emisor al colector queda limitado a un valor fijo, máximo no importa lo alto el voltaje a través de aumentos de emisor y colector. A menudo es útil para superponer varias de toma de corriente / tensión de gráficos para corrientes de base diferentes en el mismo gráfico como en la figura a continuación. Una colección de curvas como este - una curva trazada para cada nivel diferente de corriente de base - para un transistor particular se llama el transistor curvas características :
Tensión de colector a emisor colector vs corriente para corrientes de base diferentes. Cada curva en el gráfico refleja la corriente de colector del transistor, representados sobre una amplia gama de tensiones de colector a emisor, para una cantidad dada de corriente de base. Desde un transistor tiende a actuar como un regulador de corriente, lo que limita la corriente de colector a una proporción fijada por la corriente de base, es útil para expresar esta proporción como una medida de transistor estándar de rendimiento. Específicamente, la relación de la corriente de colector de corriente de base se conoce como la Beta ratio (simbolizado por la letra griega β):
