Operação básica de um transistor de junção bipolar

Eu tentei muito entender o princípio operacional básico de um transistor. Mencionei muitos livros e estive em fóruns, mas nunca recebi uma resposta convincente.

Aqui estão as coisas que eu quero entender:

Um transistor é semelhante a um diodo polarizado a menos que uma tensão seja aplicada à Base. Como a junção emissor-base é polarizada para frente, haverá condução de, digamos, elétrons (npn). O que acontece depois? É verdade que esses elétrons da Base quebram a barreira da junção Coletor-Base e então a corrente combinada passa para o Emissor? (IB + IC = IE)

E por que estamos ficando mais atuais? Onde está a amplificação? Não pode ser como criar algo do nada. Eu sei que estou perdendo algum ponto crucial aqui. Alguém pode me explicar claramente em termos simples?

Faz uma semana que estou tentando entender isso. :(

Quando os elétrons fluem através de uma junção de diodo com polarização direta, como a junção emissor-base de um transistor, na verdade leva um tempo não zero para que eles se recombinem com orifícios no lado P e sejam neutralizados.

Em um transistor NPN, a região base do tipo P é construída de modo a ser tão estreita que a maioria dos elétrons realmente passa por ele antes que essa recombinação ocorra. Quando atingem a região de depleção da junção coletor de base com polarização reversa, que tem um forte campo elétrico através dela, eles são rapidamente varridos para longe da região base, criando a corrente do coletor.

A corrente total através da junção do emissor base é controlada pela tensão do emissor base, que é independente da tensão do coletor. Isso é descrito pela famosa equação de Ebers-Moll . Se o coletor for de circuito aberto, toda essa corrente flui pela conexão de base. Porém, desde que haja pelo menos um pequeno viés positivo na junção base-coletor, a maior parte da corrente é desviada para o coletor e resta apenas uma pequena fração para sair da base.

Em um transistor de alto ganho, menos de 1% dos elétrons realmente se recombinam na região base, onde permanecem como corrente emissora-base, o que significa que a corrente do coletor pode ser 100 × ou mais a corrente base. Esse processo é otimizado através do controle cuidadoso da geometria das três regiões e dos níveis específicos de dopagem usados ​​em cada uma delas.

Desde que o transistor seja polarizado nesse modo de operação, uma pequena mudança na tensão do emissor base (e uma mudança correspondentemente pequena na corrente do emissor base) causa uma mudança muito maior na corrente do coletor-emissor. Dependendo da impedância externa conectada ao coletor, isso também pode causar uma grande alteração na tensão do coletor. O circuito geral exibe ganho de potência porque a potência de saída (ΔV _C × ΔI _C ) é muito maior que a potência de entrada (ΔV _B × ΔI _B ). Dependendo da configuração específica do circuito, esse ganho de potência pode ser obtido como ganho de tensão, ganho de corrente ou uma combinação de ambos.

Essencialmente, a mesma coisa acontece em um transistor PNP, mas agora você deve pensar nos orifícios (a ausência de um elétron) como portadores de uma carga positiva que percorre todo o caminho através da base do tipo N até o coletor.

Leia e releia a excelente resposta de Dave.

Em seguida, reverta mentalmente o que está acontecendo ...

Você tem uma junção de emissor de base com polarização direta e o circuito externo conectado à base exige uma corrente Ib, que é fornecida por elétrons originados pelo emissor.

Mas quando um elétron entra na região base, encontra um forte campo elétrico puxando-o em direção ao coletor (positivo). A maioria (uma proporção grande e bastante bem definida) desses elétrons é perdida (da corrente de base) e surge como corrente de coletor, pelos motivos explicados tão bem na resposta de Dave. Portanto, em vez de um amplificador eficiente, você também pode ver o transistor como um fornecedor irremediavelmente ineficiente de corrente base!

Desse ponto de vista, o circuito base exige Ib e o emissor o fornece. Porém, como subproduto, uma corrente muito maior (Ic = 100Ib) é "perdida" para o coletor. É claro que é isso que realmente queremos.

EDIT re: comment: Finalmente (a maioria, digamos 99%), os elétrons do emissor entram na região do coletor.

Por fim, a corrente do coletor deve ser (ligeiramente) menor que a corrente do emissor de suprimento.

Direito a ambos.

Qual é o propósito?

1) Uma corrente de base muito pequena controla uma grande corrente de coletor e a corrente do emissor é a soma dessas duas.

2) A razão Ic / Ib (hFE ou ganho de corrente) é aproximadamente independente da tensão do coletor Vce (até Vce estar baixo, por exemplo, <1V). Isso significa que, para uma escolha adequada de impedância no circuito coletor, uma pequena alteração no Ib pode resultar em uma grande alteração no Ic e uma grande alteração no Vce; é daí que vem o ganho de tensão.

Portanto, o amplificador "emissor comum" usual tem a carga no circuito coletor e possui alto ganho de corrente e alto ganho de tensão.

É assim que vejo, espero que acrescente algo útil à discussão:

SEMICONDUTORES, DIODOS E TRANSISTORES

ELETRÔNIOS E FUROS

Vamos pensar em uma fileira de moedas de um centavo dispostas em uma linha, tocando, sobre uma mesa. Mova a extremidade direita de um centavo para a direita, deixando um espaço. Continue movendo o centavo para a esquerda do espaço no espaço. À medida que você avança, todos os centavos foram movidos para a direita e a lacuna foi movida pela mesa para a esquerda. Agora imagine os centavos como elétrons, e você pode ver como os elétrons se movendo em uma direção através de um semicondutor fazem com que os buracos se movam na direção oposta.

Para esticar a analogia, poderíamos usar pequenas pilhas de moedas de um centavo, então muito tem que se mover logo antes que um buraco se mova para a esquerda. Ou podemos ter alguns centavos e muito espaço para que os buracos viajem com facilidade à medida que os centavos esparsos são movidos pelas amplas lacunas. Esses dois casos modelam as duas formas de silício dopado, muitos elétrons adicionados e temos o tipo N, muitos buracos (elétrons removidos) e o tipo P. Os tipos são alcançados misturando (dopando) o silício com pequenas quantidades de outros metais.

Com os elétrons tendo que lutar através dos átomos de um semicondutor, sua resistividade é relativamente alta. Os primeiros semicondutores usavam germânio, mas, exceto em casos especiais, atualmente o silício é a escolha universal.

O fio de cobre pode ser visualizado como tendo grandes pilhas de elétrons de um centavo, todas juntas, de modo que uma corrente é o movimento dos poucos centavos no topo das pilhas, nenhum buraco é produzido. Com tantos disponíveis para a corrente, a resistividade, como sabemos, é baixa.

DIODOS

O diodo semicondutor mais comum (existem outros tipos especializados) possui uma junção entre o tipo N e o tipo P. Se uma tensão é aplicada ao diodo, positiva para a extremidade do tipo N e negativa para a outra, todos os elétrons são puxados para a extremidade positiva, deixando orifícios na extremidade negativa. Com quase nenhum elétron no meio, quase nenhuma corrente pode fluir. O diodo é "polarizado reversamente"

Quando a tensão é aplicada de outra maneira, negativa para a extremidade do tipo N e positiva para o tipo P, os elétrons são atraídos para o meio e podem atravessar para cancelar os orifícios no tipo P e fluir para o fio de conexão. Por outro lado, tensão negativa, fim, os elétrons são repelidos no meio do diodo, para serem substituídos pelos que chegam do fio, de modo que uma corrente possa fluir facilmente: o diodo é polarizado para a frente.

As conexões com um diodo são chamadas de "ânodo", que é o final positivo quando o diodo é polarizado para frente e o "cátodo", que é o lado negativo. Lembro-me disso por analogia com os mesmos termos para válvulas, que precisam de alta tensão positiva (HT para "Alta Tensão" - mantenha os dedos afastados) no ânodo para que a corrente flua. Um bom mnemônico para a polaridade de um diodo polarizado para a frente pode ser o PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".

Um diodo varator explora o fato de que duas áreas de carga separadas, positivas e negativas, formam um capacitor bruto. Portanto, diodos especialmente projetados são criados para explorar isso, quando invertidos. A tensão aplicada separa as cargas, formando uma "camada de depleção" entre os contatos. Aumentar a tensão reversa aplicada torna essa camada mais espessa, reduzindo a capacidade e vice-versa. Os diodos varatores são comumente usados ​​em circuitos sintonizados para variar a frequência, substituindo os capacitores de palhetas usados ​​nos dias das válvulas.

TRANSISTORES BIPOLARES

Um transistor bipolar é aquele cuja operação depende de elétrons e orifícios. É composto por dois diodos consecutivos, compartilhando uma camada central comum. Um dos terminais externos é o coletor C e o outro é o emissor E. A conexão central é a base B e faz parte dos diodos CB e BE. Então, nós temos um sanduíche de três camadas. Em uso normal, o diodo entre C e B é polarizado inversamente, portanto, sem a presença do diodo BE e seu efeito, nenhuma corrente fluiria, porque todos os elétrons são puxados para uma extremidade da seção CB e os orifícios para a outra extremidade, como em um diodo, pela tensão aplicada.

O diodo BE é polarizado para a frente, para que uma corrente possa fluir e o circuito externo seja configurado para limitar esse valor a um valor relativamente pequeno, mas ainda existem muitos orifícios e elétrons fluindo através da Base e do Emissor.

Agora a parte inteligente. A conexão comum dos diodos CB e BE na Base é muito fina, de modo que a inundação de elétrons e orifícios na parte BE substitui aqueles que a tensão reversa do coletor retirou, e uma corrente agora pode fluir através desse diodo CB a direção reversa e, em seguida, através da junção BE enviesada para o emissor e para o circuito externo.

Eu acho que é óbvio que você não pode fazer um transistor soldando dois diodos consecutivos; a ação exige o compartilhamento íntimo da fina camada dentro do silício.

A corrente do coletor depende da existência de uma corrente de base fluindo, e o transistor é projetado para que uma pequena corrente no diodo BE abra o caminho para uma corrente muito maior na junção CB. Assim, temos amplificação atual. Usando quedas de tensão através de resistores externos, isso pode ser convertido em amplificação de tensão.

Esses transistores são chamados de "bipolares" porque possuem efetivamente duas junções.

Eu evitei mencionar cuidadosamente o tipo de material nos diodos CB e BE, as idéias são as mesmas para ambos e podemos ter NPN ou PNP como as camadas possíveis. A seta, no emissor, no símbolo, que mostra a direção da corrente convencional do coletor (o oposto do fluxo de elétrons), aponta na direção do lado negativo da tensão CE aplicada, de modo que a corrente está "fora de P ou em N no emissor ".

TRANSISTORES DE EFEITO DE CAMPO, ou FETs

Existem muitos modelos diferentes de FET, e essa é uma visão muito simplista do princípio básico.

Estes são transistores "unipolares", embora o termo não seja frequentemente usado, porque sua operação depende apenas de elétrons e campos elétricos, não de orifícios.

Aqui temos um único bloco de silício dopado, o "canal", com pedaços do tipo oposto nos lados, ou como um anel circundante. Portanto, temos apenas uma junção de diodo, chamada Porta G, entre os nódulos ou o anel e o canal. O canal atua como um resistor, com a corrente fluindo de uma extremidade, a fonte S, para a outra, o Drain D. A junção entre a porta e o canal é polarizada inversamente, portanto, nenhuma corrente flui, mas existe um campo elétrico configurado que puxa cargas, elétrons ou orifícios para os lados do canal, deixando menos disponível para a corrente SD. Assim, temos a corrente SD controlada pela tensão no portão.

Observe que este é um dispositivo controlado por tensão, praticamente nenhuma corrente flui para dentro ou para fora do Gate. Pense na lei de Ohm: Resistência = Volts / Amperes, e vemos que uma corrente muito baixa significa uma resistência muito alta; portanto, diz-se que o FET possui uma impedância de entrada muito alta - sua principal vantagem sobre a Bi-Polar, onde, por Por outro lado, é necessária pouca voltagem para enviar a corrente através da base, o que confere uma baixa impedância de entrada