Guia de tipus, funcions i aplicacions de transistors

Els transistors ajuden a controlar el flux d’electricitat en dispositius electrònics.Funcionen com a interruptors o amplificadors, engegant i desactiven els senyals o els fan més forts.En aquesta senzilla guia, aprendràs què és un transistor, com funciona i per què és important en la tecnologia.

Catàleg

Figura 1. Transistor

Què és un transistor?

Un dispositiu semiconductor compacte transistor que controla com l'electricitat es mou a través d'un circuit.Pot activar i desactivar els senyals o fer -los més forts, segons com s’utilitzi.Això ajuda als dispositius electrònics a funcionar correctament i a fer el que haurien de fer.

Els transistors es troben en gairebé tota l'electrònica moderna.Ajuden a executar coses com calculadores, telèfons i ordinadors gestionant el flux d’electricitat al seu interior.

El primer transistor es va fer el 1947 a Bell Labs per tres científics: John Bardeen, William Shockley i Walter Brattain.Abans, l'electrònica utilitzava tubs de buit, que eren grans i utilitzaven molta potència.

Els transistors eren molt més petits, necessitaven menys energia i no es van trencar tan fàcilment.Les màquines electròniques més antigues eren grans, lentes i fàcils de danyar.La invenció del transistor va ajudar a fer que els dispositius siguin més petits, més ràpids i fiables.Amb el pas del temps, els enginyers van fer que els transistors siguin encara més petits.Avui, milers de milions d’ells poden encaixar en un sol xip d’ordinador.

Símbols de transistor i configuracions de PIN

Els transistors tenen tres pins principals, o terminals, anomenats base (b), col·leccionista (c) i emissor (e).Aquest disseny de tres terminals s'utilitza en els dos tipus comuns de transistors de la unió bipolar (BJTS): NPN i PNP.Cada terminal té un treball específic en l'operació del transistor.La base és el passador de control: rep un petit senyal que encén o es desactiva el transistor.El col·leccionista és el terminal on es recull el corrent del circuit.L’emissor és on el corrent deixa o entra al transistor, segons el tipus.

Figura 2. Símbols de transistor

Quan mireu el símbol d’un transistor en un diagrama de circuits, podeu saber si es tracta d’un tipus NPN o PNP comprovant la direcció de la fletxa petita de la cama emissora.En un transistor NPN, la fletxa apunta cap a fora, que demostra que el corrent surt de l'emissor.En un transistor PNP, la fletxa apunta cap a dins, cosa que significa que el corrent flueix a l'emissor.Aquesta fletxa no només mostra la direcció, sinó que us ajuda a comprendre com el transistor funciona al circuit.

Una manera senzilla de recordar la diferència és la frase "npn = no apuntar -se".Això significa que la fletxa en un transistor NPN no apunta cap a la base, mentre que en un transistor PNP, ho és.Aquesta punta ràpida facilita els dos tipus a un cop d'ull.

Cada part del símbol (base, col·leccionista i emissor) representa una connexió física real al transistor.Saber quin pin fa el que és important a l’hora de col·locar el transistor en un circuit.La base controla la commutació, el col·lector gestiona la major part del corrent i l’emissor és el camí que el corrent fa per sortir o entrar.

Estructura i funcionament del transistor

Els transistors funcionen mitjançant una estructura en capes feta a partir de materials semiconductors, normalment silici.Aquests materials es modifiquen mitjançant un procés anomenat dopatge, que introdueix impureses per controlar la seva conductivitat elèctrica.El dopatge pot afegir electrons gratuïts (portadors de càrrega negativa) o crear "forats" (portadors de càrrega positiva).Els materials dopats amb electrons addicionals s’anomenen tipus N, mentre que els que tenen electrons que falten són coneguts com a tipus P.

Un transistor NPN típic consta de tres capes: un emissor de tipus N, una base de tipus P i un col·leccionista N de tipus N.Aquest acord és el que dóna el seu nom a NPN.

Figura.

L’emissor allibera electrons a la base, molt prim i lleugerament dopat.La base controla quants electrons es mouen al col·leccionista, que els recull i els passa a la resta del circuit.

Perquè el transistor funcioni correctament, la unió de l'emissor base ha de ser esbiaixada cap endavant.És a dir, la base es troba a una tensió més alta que l'emissor.

Figura. 4. NPN Transistor Biasing i Flux d’electrons

Això permet que els electrons es desplacin fàcilment de l’emissor cap a la base i, a continuació, cap al col·leccionista, permetent l’amplificació de flux de corrent i senyal.

En canvi, un transistor PNP utilitza una estructura de capa P-N-P.Funciona de manera similar, però els transportistes de càrrega són forats i els fluxos actuals en el sentit contrari, des de l'emissor fins al col·leccionista.

Modes operatius de transistor

NPN Transistors té quatre modes de funcionament principals.Saturació, tall, actiu i inversa.Cada mode influeix en si el transistor està encès o desactivat, ja sigui si amplifica un senyal o com el corrent passa per ell.

Figura 5. Quatre modes de transistor

Per determinar el mode d’un transistor, mirem les tensions entre els seus terminals:

• VBE: base per emissor

• VBC: base al col·leccionista

Aquestes tensions determinen l’estat de cada unió i defineixen com es comporta el transistor.

Cada mode correspon a una condició de tensió específica:

• Mode actiu: VC> VB> VE

• Mode de saturació: VB> VC i VB> VE

• Mode de tall: VC> VB i VE> VB

• Mode actiu invers: VC < VB < VE

Anem a explorar cadascun amb més detall.

Mode de saturació.Completament a l'estat

En mode de saturació, el transistor actua com un interruptor tancat.Ambdues juntes són esbiaixades cap endavant, permetent el màxim flux de corrent de col·leccionista a emissor.

Condicions:

• vb> vc

• vb> ve

• vbe> ~ 0.6V (llindar)

• VCE (SAT) ≈ 0.05V - 0,2V

Mentre que el corrent flueix lliurement, encara existeix una caiguda de petita tensió (VCE (SAT)).Aquest estat s’utilitza normalment en les aplicacions de commutació.

Figura 6. Flux de corrent del mode de saturació amb indicació del llindar

Mode de tall.Transistor apagat

En mode de tall, el transistor es comporta com un interruptor obert.No hi ha cap corrent a través del col·leccionista o emissor perquè ambdues juntes són esbiaixades inverses.

Condicions:

• vc> vb

• VE> VB

• VBE ≈ 0V o negatiu

Aquest mode és ideal per aïllar parts d’un circuit o quan el transistor està destinat a estar completament desactivat.

Figura 7. Mode de tall sense camins actuals

Mode actiu (mode d'amplificació)

El mode actiu és on un transistor actua com a amplificador.Un petit corrent a la base controla un corrent més gran de col·leccionista a emissor.La unió de l'emissor de base és esbiaixada cap endavant i la unió del col·lector base és esbiaixada inversa.

Condicions:

• vc> vb> ve

• vbe> ~ 0.6V

En aquest mode, el guany actual del transistor, representat com β, relaciona el corrent col·lector (IC) amb el corrent base (IB):

IC = β × ib

Una altra constant relacionada, α, connecta els corrents emissors i col·leccionistes:

IC = α × IE, on α ≈ 0,99

Podeu canviar entre α i β mitjançant:

β = α / (1 - α)

α = β / (β + 1)

Figura 8. Circuit de mode actiu amb representació de guany

Mode d'activitat inversa: rarament s'utilitza

Mode inversa actiu el comportament del mode actiu.Aquí, la unió emissor-base és esbiaixada inversa i la unió col·leccionista està esbiaixada cap endavant.El corrent flueix des de l'emissor fins al col·lector, oposat a la direcció estàndard.

Condicions:

• VC < VB < VE

Tot i que el transistor encara s’amplifica en aquest mode, el guany actual (βR) és menor, cosa que el fa inadequat per a la majoria d’aplicacions pràctiques.

Comparant modes de transistor NPN i PNP

Els transistors PNP operen en els mateixos quatre modes, però amb polaritats invertides.En lloc que el corrent que flueixi de col·leccionista a emissor (com en NPN), flueix de l'emissor a col·leccionista.

Per analitzar el comportament PNP, simplement invertiu els signes de desigualtat utilitzats en la lògica del mode NPN.

Condició de tensió	Mode NPN	Mode PNP
Vc> vb> ve	Activa	Revés
V < VB < VC	Saturació	Tall de tall
Ve> vb> vc	Tall de tall	Saturació
VC < VB < VE	Revés	Activa

Diversos tipus de transistors

Figura 9. Tipus de transistors

Els transistors es classifiquen en dos tipus principals: transistors d’efecte de camp (FETs) i transistors de la unió bipolar (BJTs).

Transistor de la unió bipolar

Un transistor de la unió bipolar és un tipus de dispositiu semiconductor que controla el corrent mitjançant un altre corrent: específicament, un corrent petit al terminal base regula un corrent més gran entre el seu col·lector i emissor.A diferència dels transistors d'efecte de camp, que es basen en la tensió per al control, els BJT utilitzen els portadors de càrrega, tant electrons com forats, per a la conducta.

Els BJT es valoren pel seu gran guany i els seus temps de resposta ràpida, cosa que els fa ideals per a tasques com amplificar senyals febles o canviar estats electrònics en circuits digitals.Es troben en dues versions principals: NPN i PNP, que difereixen en funció del tipus de portadors de càrrega implicats i de la direcció del flux de corrent.

Transistor NPN

En un transistor NPN, els electrons serveixen com a portadors de càrrega primària.El transistor es manté no conductor (desactivat) fins que s’aplica un petit corrent al terminal base.Aquest corrent base "obre" efectivament la unió de l'emissor de base, creant una condició esbiaixada cap endavant que redueix la barrera potencial.

Un cop succeeix això, els electrons poden sortir de l’emissor cap al col·leccionista.El corrent base entrant no subministra el flux principal d’electrons;En canvi, permet el moviment dels electrons ja presents a l’emissor.Aquests electrons passen per la regió de base fina, on només una petita porció recombina i la majoria continua al col·leccionista, creant un camí de corrent constant.Això fa que el transistor NPN sigui adequat per als amplificadors de propòsit general i la commutació a nivell de lògica.

Transistor PNP

Un transistor PNP funciona de manera similar, però amb polaritats invertides i tipus de transportista de càrrega.Aquí, els forats són els portadors dominants, i la direcció del flux de corrent és oposada a la d’un NPN.

El transistor es queda fora fins que un petit corrent surt de la base (en relació amb l'emissor).Quan es produeix això, la unió de l'emissor de base es fa esbiaixada cap endavant, permetent que els forats de l'emissor entrin a la base.Alguns forats es recombinen amb electrons a la base, però la majoria continuen cap al col·leccionista.

Igual que a la NPN, el corrent de base petita té un paper de control, permetent que un corrent molt més gran passi d’emissor a col·leccionista.Aquesta característica permet utilitzar transistors PNP en aplicacions similars, especialment quan es requereix un funcionament de tensió negativa o un disseny de circuits complementaris.

Figura 10. Configuració típica de BJT

El circuit que es mostra al diagrama 10 il·lustra una configuració típica de BJT.Aquí hi ha tres corrents: corrent base (IB), corrent del col·leccionista (IC) i corrent emissor (és a dir).El voltatge de l'emissor de base (VEB) i la tensió de col·lectors (VCB) s'utilitzen en el comportament de commutació del transistor.Quan la base rep corrent, el transistor s’encén, permetent que el corrent del col·lector flueixi a través de la resistència de càrrega (RL), produint una tensió de sortida (V0).

Aquest circuit demostra la funció bàsica de BJTS que utilitza una petita entrada a la base per controlar un corrent de sortida més gran entre el col·leccionista i l'emissor.

Transistors d'efecte de camp (FETs)

Els transistors d'efecte de camp (FET) són dispositius semiconductors que regulen el flux de corrent mitjançant un camp elèctric en lloc de la injecció de corrent directa.A diferència dels transistors de la unió bipolar (BJTS), els FET no requereixen un corrent continu al terminal de control.En canvi, responen als canvis de tensió.Aquest control basat en la tensió proporciona una impedància d’entrada d’alta entrada FETS i els fa altament eficients per amplificar els senyals i la commutació de camins elèctrics.

Els FET es classifiquen en dos tipus principals:

• Transistors d'efecte de camp d'unió (JFETS)

• Transistors d'efecte de camp d'òxid-òxid metall (MOSFETS)

Transistor d'efectes de camp de la unió (JFET)

Un JFET és un dispositiu de tres terminals que consisteix en una porta, font i desguàs.Controla el corrent a través d’un canal semiconductor ajustant la mida d’una regió d’esgotament creada per una unió PN esbiaixada inversa entre la porta i el canal.

Figura 11. N-Channel JFET

En un N-Channel JFET, el canal està fabricat amb material de tipus N i la porta està composta per material de tipus P.Quan la tensió de porta a font (VGS) és zero i s’aplica una petita tensió de drenatge a font (VDS), els electrons flueixen lliurement pel canal, donant lloc al corrent màxim de desguàs, conegut com a IDSS.

A mesura que s’aplica una tensió negativa a la porta, la unió PN es fa més esbiaixada.Això amplia la regió d’esgotament, que restringeix la ruta conductora del canal i redueix el corrent.A mesura que la tensió de la porta negativa augmenta encara més, el canal continua restringint -se.Finalment, el canal es pica completament, aturant el flux de corrent: aquesta condició es coneix com a pinça i el corrent de desguàs (ID) cau a gairebé zero.

FET de metall-semiconductor (MOSFET)

Un MOSFET és un dispositiu de quatre terminals que inclou una porta, font, drenatge i cos (o substrat).La seva característica definidora és la fina capa d’òxid aïllant que separa la porta del canal semiconductor subjacent.Aquest aïllament produeix una impedància d’entrada extremadament elevada, ja que pràcticament no hi ha cap corrent de porta que flueix sota funcionament normal.

Figura 12. Estructura MOSFET

Els MOSFET són més versàtils que els JFET, ja que poden funcionar en mode esgotament (el canal condueix a la tensió de la porta zero i es pot desactivar aplicant una tensió) i el mode de millora (el canal normalment està desactivat i requereix una tensió de porta per realitzar).Aquesta capacitat de doble mode els fa ideals tant per al processament de senyal analògic com per a la commutació digital d’alta velocitat.

Malgrat la seva sensibilitat a l’electricitat estàtica, MOSFETS excel·leix en entorns de canvi ràpid i s’utilitzen àmpliament a través de circuits digitals, amplificadors analògics i electrònica de potència a causa de la seva eficiència, escalabilitat i baix consum d’energia.

Aplicacions comunes de transistors

• Microchips dins (circuits integrats).Aquests xips s’utilitzen en ordinadors, telèfons intel·ligents i tauletes per fer tasques de processament i control.

• En circuits i portes lògiques.Els transistors s’utilitzen per crear portes lògiques, que ajuden els ordinadors.Prendre decisions mitjançant 1s i 0 (codi binari).

• En ràdios i dispositius de senyal.Els transistors ajuden a amplificar els senyals de ràdio, a eliminar el soroll i a millorar la qualitat del so en ràdios, televisors.i sistemes de comunicació.

• Per emmagatzemar dades.Els transistors emmagatzemen dades en xips de memòria que es troben en ordinadors portàtils, telèfons i unitats USB.Tenen informació d’informació en activar o desactivar.

• En dispositius personals i mèdics.Els transistors s’utilitzen en audiòfons, marcapasos, telèfons mòbils i rastrejadors de fitness.Ajuden aquests dispositius a funcionar sense problemes amb poca potència.

• En sistemes d’àudio.Fan que els senyals sonors siguin més forts, de manera que podreu escoltar música més forta i més clara en els estereos.Ponents i equips musicals.

Conclusió

Els transistors poden encendre i desactivar les coses o fer senyals febles més forts.Es troben en dispositius que van des de ràdios i telèfons fins a ordinadors i equips mèdics.Després de llegir aquesta guia, ja sabeu què és un transistor, com funciona i per què importa.Aquest coneixement és un primer pas fantàstic si voleu obtenir més informació sobre el funcionament de l’electrònica.