Un transistor bipolar o un BJT és un dispositiu semiconductor de 3 terminals que és capaç d'amplificar o canviar voltatges i corrents d'entrada de senyal petits a tensions i corrents de senyal de sortida significativament més grans.
Com van evolucionar els transistors de connexió bipolar BJT
Durant el 1904-1947, el tub de buit va ser, sens dubte, el dispositiu electrònic de gran curiositat i creixement. El 1904, el díode de tub de buit va ser llançat per J. A. Fleming. Poc després, el 1906, Lee De Forest va millorar el dispositiu amb una tercera característica, coneguda com a quadrícula de control, que va produir el primer amplificador i es va anomenar el triode.
En les dècades posteriors, la ràdio i la televisió van induir una enorme inspiració al negoci del tub. La fabricació va passar d’uns 1 milió de tubs el 1922 a uns 100 milions el 1937. A principis de la dècada de 1930, el tetrode de 4 elements i el pentode de 5 elements van adquirir popularitat al negoci dels tubs d’electrons.
En els anys següents, el sector de la fabricació es va convertir en un dels sectors més importants i es van crear ràpides millores per a aquests models, en els mètodes de producció, en aplicacions d’alta potència i alta freqüència i en la direcció de la miniaturització.
El 23 de desembre de 1947, però, la indústria electrònica assistia a l'arribada d'una 'direcció d'interès' i millora absolutament nova. A mig dia, va resultar que Walter H. Brattain i John Bardeen van exhibir i van demostrar la funció amplificadora del primer transistor als Bell Telephone Laboratories.
El primer transistor (que tenia la forma d’un transistor de contacte puntual) es demostra a la figura 3.1.
Cortesia de la imatge: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg
Els aspectes positius d’aquesta unitat d’estat sòlid de 3 pins a diferència del tub es van notar a l’instant: resultava ser molt més petit, podia funcionar sense un “escalfador” ni pèrdues de calefacció, era irrompible i fort, era més eficient en termes de l’ús d’energia, es podia emmagatzemar i accedir fàcilment, no requeria cap arrencada inicial d’escalfament i funcionava a tensions de funcionament molt més baixes.
CONSTRUCCIÓ DE TRANSISTORS
Un transistor és bàsicament un dispositiu construït amb 3 capes de material semiconductor en què s’utilitza una capa de material de tipus 2 n i una sola capa de tipus p o bé s’utilitza una capa de material de tipus 2 p i una sola capa de tipus n. El primer tipus s’anomena transistor NPN, mentre que la segona variant s’anomena tipus de transistor PNP.
Aquests dos tipus es podrien visualitzar a la figura 3.2 amb una polarització de CC adequada.
Ja hem après com fer-ho Polarització de CC de BJTs esdevenen essencials per establir la regió operativa necessària i per a l’amplificació de corrent altern. Per a això, la capa lateral de l'emissor es dopa de manera més significativa en comparació amb la base, que es dopa de manera menys significativa.
Les capes exteriors es creen amb capes de gruix molt més grans en comparació amb els materials emparedats de tipus p o n. A la figura 3.2 anterior, podem trobar que per a aquest tipus la proporció de l’amplada total en comparació amb la capa central és al voltant de 0.150 / 0.001: 150: 1. El dopatge implementat sobre la capa intercalada també és relativament inferior a les capes exteriors, que normalment oscil·la entre 10: 1 o fins i tot menor.
Aquest tipus de nivell de dopatge reduït redueix la capacitat de conducció del material i augmenta la naturalesa resistiva restringint la quantitat de electrons en moviment lliure o els portadors 'lliures'.
Al diagrama de polarització també podem veure que els terminals del dispositiu es mostren amb majúscules E per a l’emissor, C per al col·lector i B per a la base, en la nostra futura discussió explicaré per què es dóna aquesta importància a aquests terminals.
A més, el terme BJT s’utilitza per abreviar el transistor bipolar i designat a aquests 3 dispositius terminals. La frase 'bipolar' indica la rellevància dels forats i electrons implicats durant el procés de dopatge respecte a una substància polaritzada oposada.
FUNCIONAMENT DEL TRANSISTOR
Ara comprenem el funcionament fonamental d’un BJT amb l’ajut d’una versió PNP de la figura 3.2. El principi de funcionament d’una contrapartida NPN seria exactament similar si la participació dels electrons i els forats simplement s’intercanvien.
Com es pot veure a la figura 3.3, el transistor PNP s'ha redibuixat, eliminant la polarització de la base al col·lector. Podem visualitzar com la regió d’esgotament es veu reduïda en amplada a causa del biaix induït, que provoca un flux massiu de operadors majoritaris a través de materials de tipus p- als n-.
En cas que s'elimini el biaix de base a emissor del transistor pnp tal com es demostra a la figura 3.4, el flux de les portadores majoritàries esdevé zero, permetent el flux només de portadores minoritàries.
Breument ho podem entendre, en una situació esbiaixada una unió p-n d'un BJT es converteix en polaritzada inversament, mentre que l'altra unió és polaritzada cap endavant.
A la figura 3.5 podem veure que s’apliquen tant tensions de polarització a un transistor pnp, cosa que provoca el flux de portadors de majoria i de minories indicat. Aquí, des de l'amplada de les regions d'esgotament, podem visualitzar clarament quina unió funciona amb una condició polaritzada cap endavant i quina és polaritzada inversament.
Com es mostra a la figura, una quantitat substancial de portadors majoritaris s’acaba difonent a través de la unió p-n esbiaixada cap al material de tipus n. Això ens planteja una pregunta: podrien tenir aquestes operacions algun paper important per promoure el corrent base IB o permetre que flueixi directament al material de tipus p?
Tenint en compte que el contingut de tipus n emparedat és increïblement prim i té una conductivitat mínima, excepcionalment pocs d'aquests portadors prendran aquesta ruta particular d'alta resistència a través del terminal base.
El nivell del corrent de base se situa normalment al voltant dels microamperis en lloc dels miliamperis per als corrents emissors i col·lectors.
El rang més gran d’aquests portadors majoritaris es difondrà al llarg de la unió de polarització inversa cap al material de tipus p unit al terminal del col·lector, tal com s’assenyala a la figura 3.5.
La causa real d’aquesta facilitat relativa amb què es permet que els portadors majoritaris travessin la unió polaritzada inversa es realitza ràpidament amb l’exemple d’un díode polaritzat invers, on els portadors majoritaris induïts apareixen com a portadors minoritaris en el material de tipus n.
Per dir-ho d’una altra manera, trobem una introducció de portadors minoritaris al material de la regió base de tipus n. Amb aquest coneixement i junt amb el fet que per als díodes tots els portadors minoritaris de la regió d’esgotament travessen la unió polaritzada inversa, es produeix el flux d’electrons, tal com s’indica a la figura 3.5.
Suposant que el transistor de la figura 3.5 és un node únic, podem aplicar la llei actual de Kirchhoff per obtenir la següent equació:
La qual cosa demostra que el corrent emissor és igual a la suma del corrent base i del col·lector.
Tot i això, el corrent del col·lector està format per un parell d’elements, que són la majoria i els portadors minoritaris, tal com es demostra a la figura 3.5.
L'element portador de corrent minoritari constitueix el corrent de fuita i es simbolitza com ICO (IC actual que té un terminal emissor obert).
En conseqüència, el corrent net del col·lector s'estableix tal com es dóna a la següent equació 3.2:
El corrent IC del col·lector es mesura en mA per a tots els transistors d’ús general, mentre que l’ICO es calcula en uA o nA.
L'ICO es comportarà com un díode esbiaixat inversament i, per tant, pot ser vulnerable als canvis de temperatura i, per tant, s'ha de tenir una cura adequada durant les proves, especialment en circuits dissenyats per funcionar en escenaris de rang de temperatura molt diferents, o bé el resultat pot ser enormement afectat pel factor de temperatura.
Dit això, a causa de les moltes millores avançades en el disseny de la construcció dels transistors moderns, l'ICO es redueix significativament i es pot ignorar completament per a tots els BJT actuals.
Al següent capítol aprendrem a configurar els BJT en el mode base comú.
Referències: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen
Anterior: polarització del divisor de tensió en circuits BJT: més estabilitat sense factor beta Següent: Descripció de la configuració de base comuna als BJT
