Qué es un transistor bipolar y cuáles son sus circuitos

El uso de dispositivos semiconductores (SSD) está muy extendido en la radioelectrónica. Esto ha reducido el tamaño de varios dispositivos. El transistor bipolar es ampliamente utilizado, debido a ciertas características tiene una funcionalidad más amplia que el simple transistor de efecto de campo. Para entender para qué se utiliza y en qué condiciones, es necesario considerar su principio de funcionamiento, métodos de conexión y clasificación.

Diseño y funcionamiento

El transistor es un semiconductor electrónico que consta de 3 electrodos, uno de los cuales es el de control. Los transistores bipolares se diferencian de los polares en que tienen dos tipos de portadores de carga (negativos y positivos).

Las cargas negativas representan electrones que se liberan de la capa exterior de la red cristalina. En lugar del electrón liberado se forman cargas de tipo positivo, o agujeros.

La construcción de un transistor bipolar (BT) es bastante sencilla, a pesar de su versatilidad. Consta de 3 capas de tipo conductor: un emisor (E), una base (B) y un colector (C).

El emisor (que en latín significa "liberar") es un tipo de unión semiconductora cuya función principal es inyectar cargas en la base. El colector (en latín) sirve para recibir las cargas del emisor. La base es el electrodo de control.

Las capas emisora y colectora son casi idénticas, pero se diferencian por el grado de impurezas añadido para mejorar las características del sensor. La adición de impurezas se denomina dopaje. Para la capa colectora (CL) el dopaje se expresa débilmente para aumentar la tensión del colector (Uk). La capa semiconductora emisora está fuertemente dopada para aumentar la U de ruptura reversible y mejorar la inyección de portadores en la capa base (aumenta el coeficiente de transferencia de corriente - Kt). La capa base está dopada débilmente para proporcionar más resistencia (R).

La unión entre la base y el emisor es de menor superficie que la K-B. La diferencia de área es lo que mejora el Kt. Cuando una placa de circuito impreso está en funcionamiento, la unión K-B se enciende con una polarización inversa para dar la mayor parte de la cantidad de calor Q, que se disipa y proporciona una mejor refrigeración del cristal.

La velocidad de la BT depende del grosor de la capa base (BS). Esta dependencia es un valor que varía según una relación inversamente proporcional. Un menor grosor se traduce en un mayor rendimiento. Esta dependencia está relacionada con el tiempo de tránsito de los portadores de carga. Sin embargo, al mismo tiempo se reduce el Uk.

Entre el emisor y K fluye una corriente elevada, denominada corriente K (Ik). Entre E y B fluye una pequeña cantidad de corriente, la corriente B (Ib), que se utiliza para el control. Cuando Ib cambie, habrá un cambio en Ik.

El transistor tiene dos uniones p-n, E-B y K-B. Cuando está activo, E-B se conecta con polarización directa y K-B con polarización inversa. Como la unión E-B está abierta, las cargas negativas (electrones) fluyen hacia B. A continuación se produce su recombinación parcial con agujeros. Sin embargo, la mayoría de los electrones llegan a K-B debido al pequeño dopaje y al grosor de B.

En la BS, los electrones son portadores de carga no básicos y el campo electromagnético les ayuda a superar la transición K-B. A medida que Ib aumenta, la apertura E-B se ampliará y más electrones correrán entre E y K. Esto dará lugar a una amplificación significativa de la señal de baja amplitud porque Ik es mayor que Ib.

Para comprender mejor el significado físico de un transistor bipolar, debemos asociarlo con un ejemplo ilustrativo. Tenemos que suponer que la bomba de agua es la fuente de alimentación, el grifo es el transistor, el agua es Ik y el grado de giro de la manivela del grifo es Ib. Para aumentar la cabeza hay que girar un poco el grifo - realizar una acción de control. Del ejemplo se deduce que el principio de funcionamiento del PP es sencillo.

Sin embargo, con un aumento significativo de U en la unión K-B puede producirse una ionización de choque, cuya consecuencia es una propagación en avalancha de la carga. Este proceso, cuando se combina con un efecto túnel, produce una avería eléctrica y, con el tiempo, una avería térmica que hace que la placa de circuito impreso falle. A veces, la avería térmica se produce sin la avería eléctrica como resultado de un aumento significativo de la corriente a través de la salida del colector.

Además, cuando U cambia en K-B y E-B, el grosor de estas capas cambia, si B es delgada, se produce un efecto de sujeción (también llamado punción B), en el que las uniones K-B y E-B se conectan. Como consecuencia de este fenómeno, la PP deja de cumplir su función.

Modos de funcionamiento

Un transistor de tipo bipolar puede funcionar en 4 modos:

1. Activo.
2. Corte (PO).
3. Saturación (SS).
4. Barrera (RB).

El modo activo de los BT puede ser normal (NAR) e inverso (IAR).

Modo activo normal

En este modo, U, que es directo y se denomina tensión E-B (Ue-B), fluye en la unión E-B. Este modo se considera óptimo y se utiliza en la mayoría de los circuitos. La unión E inyecta cargas en la región de la base, que se desplazan hacia el colector. Este último acelera las cargas, creando un efecto de impulso.

Modo activo inverso

En este modo la unión K-B está abierta. El BT opera en la dirección opuesta, es decir, desde K se inyectan los portadores de carga de los agujeros que pasan por B. Estos son recogidos por la transición E. Las propiedades de ganancia del BT son débiles y los BT se utilizan raramente en este modo.

Modo de saturación

En PH, ambos cruces están abiertos. Conectando E-B y K-B a fuentes externas en la dirección de avance, el BT funcionará en PH. El campo electromagnético de difusión de las uniones E y K es atenuado por el campo eléctrico generado por fuentes externas. Esto provocará una reducción de la capacidad de la barrera y limitará la difusividad de los principales portadores de carga. Esto comenzará a inyectar agujeros de E y K en B. Este modo se utiliza principalmente en la tecnología analógica, aunque puede haber excepciones en algunos casos.

Modo de corte

En este modo, el BT está completamente cerrado y no puede conducir la corriente. Sin embargo, hay flujos menores de portadores de carga no básicos en el BT, que crean corrientes térmicas con valores pequeños. Este modo se utiliza en varios tipos de protección contra sobrecargas y cortocircuitos.

Modo barrera

La base del BT está conectada a través de una resistencia al K. En el circuito K o E se incluye una resistencia que fija la cantidad de corriente (I) que pasa por el BT. La BR se utiliza a menudo en los circuitos, ya que permite que el BT funcione a cualquier frecuencia y en un rango de temperatura más amplio.

Diagramas de cableado

Para una correcta aplicación y cableado de las DP, es necesario conocer su clasificación y tipo. Clasificación de los transistores bipolares:

1. Material de fabricación: germanio, silicio y arseniuro de galio.
2. Características de fabricación.
3. Disipación de energía: baja potencia (hasta 0,25W), media potencia (0,25-1,6W), alta potencia (más de 1,6W).
4. Límite de frecuencia: baja frecuencia (hasta 2,7 MHz), media frecuencia (2,7-32 MHz), alta frecuencia (32-310 MHz), ultra alta frecuencia (más de 310 MHz).
5. Objetivo funcional.

El propósito funcional de las BT se divide en los siguientes tipos:

1. Amplificadores de baja frecuencia con figura de ruido normalizada y no normalizada (NNNFS).
2. Amplificadores de alta frecuencia con baja relación de ruido (LNNKNSH).
3. Amplificador de ultra alta frecuencia con NiNNSCh.
4. Amplificador de alta potencia y alto voltaje.
5. Generador de alta y ultra alta frecuencia
6. Amplificadores de conmutación de alta tensión de baja y alta potencia.
7. Alta potencia pulsada para un funcionamiento con alto valor U.

Además, existen tipos de transistores bipolares:

1. P-n-p.
2. N-p-n.

Existen 3 circuitos de conmutación del transistor bipolar, cada uno con sus propias ventajas e inconvenientes:

1. General B.
2. Común E.
3. K común.

Conexión de base común (CB)

Este circuito se utiliza en las frecuencias altas, lo que permite un uso óptimo de la respuesta en frecuencia. Si se conecta un solo TC en OhB y luego en modo OB, se potenciará su respuesta en frecuencia. Este esquema de conexión se utiliza en los amplificadores de tipo antena. Se reducen los niveles de ruido en las frecuencias altas.

Ventajas:

1. Valores óptimos de temperatura y amplia gama de frecuencias (f).
2. Alto valor de la U.K.

Inconvenientes:

1. Baja ganancia I.
2. Baja entrada R.

Conexión de emisor abierto (OhE)

Cuando se conecta en este circuito, se produce la amplificación U e I. El circuito puede alimentarse de una sola fuente. Se utiliza a menudo en los amplificadores de potencia (P).

Ventajas:

1. Alta ganancia de I, U, P.
2. Fuente de alimentación única.
3. Invierte la U alterna de salida respecto a la de entrada.

Tiene una desventaja importante: menor estabilidad de temperatura y peor respuesta en frecuencia que la conexión de junta tórica.

Conexión del colector común (OC)

La U de entrada se transmite completamente a la entrada, y el Ki es similar al de la conexión Oh, pero la U es baja.

Este tipo de conmutación se utiliza para igualar etapas basadas en transistores o con una fuente de entrada que tenga una R de salida alta (micrófono de tipo condensador o captación de sonido). Las ventajas son un alto valor R de entrada y un bajo valor R de salida. La desventaja es la baja amplificación en U.

Principales características de los transistores bipolares

Características básicas de los BT:

1. Yo... gano.
2. Entrada y salida R.
3. I-ke inverso.
4. Hora de encendido.
5. Frecuencia de transmisión Ib.
6. Ik inverso.
7. Valor I máximo.

Aplicaciones

Los transistores bipolares se utilizan ampliamente en todos los campos de la actividad humana. Su principal aplicación es en dispositivos de amplificación, generación de señales eléctricas y como elemento de conmutación. Se utilizan en diversos amplificadores de potencia, en fuentes de alimentación convencionales y conmutadas con capacidad de control U e I y en tecnología informática.

Además, suelen utilizarse para construir diversos tipos de protección del consumidor contra sobrecargas, picos de U y cortocircuitos. Se utilizan ampliamente en las industrias minera y metalúrgica.

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