Transistor

Archiu:Transistors.agr.jpg

Transistor

Un transistor és un component semiconductor, generalment en a lo manco tres terminals que es conecten a un circuit electrònic, que restringix o permet el fluix de corrent elèctrica entre dos contactes segons la presència o absència de corrent en un tercer contacte. El terme transistor prové de l'acrònim transfer resistor (en espanyol resistor de transferència).

Es poden usar com amplificadors de corrent, ya que una chicoteta corrent rebuda a través de la seua terminal de control permeten la circulació d'una intensitat molt gran (proporcional a aquella fins a un màxim) entre les seues dos terminals d'eixida. També es poden usar com commutador de corrent, ya que si la seua terminal de control no rep cap intensitat de corrent, por entre els dos terminals d'eixida no fluïx cap corrent tampoc (circuit obert).. També es pot configurar com oscilador o rectificador.

Alguns transistors s'empaqueten individualment, pero generalment es tenen transistors miniaturizados incorporats en els circuits integrats. Degut a que els transistors són els components actius bàsics en pràcticament tota l'electrònica moderna, moltes persones els consideren una de les majors invencions de el XX.

Història

Artícul principal → Història del transistor.

Archiu:Replica of first transistor.jpg

Rèplica del primer transistor en activitat, que hui pertany a l'empresa Lucent Technologies.

El físic austro-hongarés Julius Edgar Lilienfeld va solicitar en Canadà en l'any 1925 una palesa per a lo que ell va denominar «un método i un aparat per a controlar corrents elèctriques» i que es considera l'antecessor dels actuals transistors d'efecte camp, ya que estava destinat a ser una tongada d'estat sòlit del triodo. Lilienfeld també va solicitar palesos en els Estats Units en els anys 1926 i 1928. No obstant, Lilienfeld no va publicar cap artícul d'investigació sobre els seus dispositius, ni els seus palesos citen algun eixemple específic d'un prototip de treball. Degut a que la producció de materials semiconductors d'alta calitat no estava disponible per llavors, les idees de Lilienfeld sobre amplificadors d'estat sòlit no varen trobar un us pràctic en els anys 1920 i 1930, encara que acabara de construir un dispositiu d'este tipo.

En 1934, l'inventor alemà Oskar Heil va patentar en Alemània i Gran Bretanya un dispositiu similar. Quatre anys despuix, els també alemans Robert Pohl i Rudolf Hilsch varen efectuar experiments en l'Universitat de Göttingen, en cristals de bromur de potassi, usant tres electrodos, en els quals varen conseguir l'amplificament de senyals de 1 Hz, pero les seues investigacions no varen conduir a usos pràctics. Mentrestant, l'experimentació en els Laboratoris Bell en rectificadores a pur de òxit de coure i les explicacions sobre rectificadores a pur de semiconductors per part de l'alemà Walter Schottky i de l'anglés Nevill Mott, varen dur a pensar en 1938 a William Shockley que era possible conseguir la construcció d'amplificadors a pur de semiconductors, en lloc de tubos de buit.

Des del 17 de novembre de 1947 fins al 23 de decembre de 1947, els físics nortamericans John Bardeen i Walter Houser Brattain dels Laboratoris Bell varen portar a terme diversos experiments i varen observar que quan dos contactes puntuals d'or eren aplicats a un cristal de germani, es va produir una senyal en una potència d'eixida major que la d'entrada. El líder del Grup de Física de l'Estat Sòlit William Shockley va vore el potencial d'este fet i, en els següents mesos, va treballar per a ampliar en gran medida el coneiximent dels semiconductors. El terme «transistor» va ser sugerit per l'ingenier nortamericà John R. Pierce, basant-se en dispositius semiconductors ya coneguts llavors, com el termistor i el varistor i basant-se en la propietat de transrresistencia que mostrava el dispositiu. Segons una biografia de John Bardeen, Shockley havia propost que la primera palesa per a un transistor dels Laboratoris Bell devia estar basat en l'efecte de camp i que ell fora nomenat com l'inventor. Havent redescubierto les paleses de Lilienfeld que varen quedar en l'oblit anys arrere, els advocats dels Laboratoris Bell varen desaconsellar la proposta de Shockley perque l'idea d'un transistor d'efecte de camp no era nova. En el seu lloc, lo que Bardeen, Brattain i Shockley varen inventar en 1947 va ser el primer transistor de contacte de punt, que la seua primera palesa varen solicitar els dos primers nomenats, el 17 de juny de 1948, a la qual varen seguir atres paleses sobre aplicacions d'este dispositiu. En reconeiximent a este guany, Shockley, Bardeen i Brattain varen ser guardonats conjuntament en el Premi Nobel de Física de 1956 «per les seues investigacions sobre semiconductors i el seu descobriment de l'efecte transistor».

En 1948, el transistor de contacte va ser inventat independentment pels físics alemans Herbert Mataré i Heinrich Welker, mentres treballaven en la Compagnie dones Freins et Signaux, una subsidiària francesa de la nortamericana Westinghouse. Mataré tenia experiència prèvia en el desenroll de rectificadores de cristal de silici i de germani mentres treballava en Welker en el desenroll d'un radar alemà durant la Segona Guerra Mundial. Usant este coneiximent, ell va començar a investigar el fenomen de la «interferència» que havia observat en els rectificadores de germani durant la guerra. En juny de 1948, Mataré va produir resultats consistents i reproduibles utilisant mostres de germani produïdes per Welker, similars a lo que Bardeen i Brattain havien conseguit anteriorment en decembre de 1947. En donar-se conte de que els científics de Laboratoris Bell ya havien inventat el transistor abans que ells, l'empresa es va afanyar a posar en producció el seu dispositiu cridat «transistron» per al seu us en la ret telefònica de França. El 26 de juny de 1948, Wiliam Shockley va solicitar la palesa del transistor bipolar d'unió i el 24 d'agost de 1951 va solicitar la primera palesa d'un transistor d'efecte de camp, tal com es va declarar en eixe document, en el que es va mencionar l'estructura que ara posseïx. A l'any següent, George Clement Dacey i Ian Ross, dels Laboratoris Bell, varen tindre èxit en fabricar este dispositiu, que la seua nova palesa va ser solicitada el 31 d'octubre de 1952. Mesos abans, el 9 de maig d'eixe any, l'ingenier Sidney Darlington va solicitar la palesa de l'apany de dos transistors conegut actualment com transistor Darlington.

El primer transistor d'alta freqüència va ser el transistor de barrera de superfície de germani desenrollat pels nortamericans John Tiley i Richard Williams de Philco Corporation en 1953, capaç d'operar en senyals de fins a 60 MHz. Per a fabricar-ho, es va usar un procediment creat pels ya mencionats inventors per mig del qual eren gravades depressió en una base de germani tipo N d'abdós costats en chorrada de sulfat d'indi fins que tinguera unes dèu milèsimes de polzada de gruixa. L'Indi electroplateado en les depressió va formar el colector i l'emissor. El primer receptor de radi per a automòvils que va ser produït en 1955 per Chrysler i Philco; va usar estos transistors en els seus circuits i també varen ser els primers adequats per a les computadores d'alta velocitat d'eixa época.

El primer transistor operatiu de silici va ser desenrollat en els Laboratoris Bell en giner de 1954 pel químic Morris Tanenbaum. El 20 de juny de 1955, Tanenbaum i Calvin Fuller, varen solicitar una palesa per a un procediment inventat per abdós per a produir dispositius semiconductors. El primer transistor comercial de silici va ser produït per Texas Instruments en 1954 gràcies al treball de l'expert Gordon Teal qui havia treballat prèviament en els Laboratoris Bell en el creiximent de cristals d'alta purea. El primer transistor MOSFET va ser construït pel coreà-nortamericà Dawon Kahng i l'egipcíac Martin Atalla, abdós ingeniers dels Laboratoris Bell, en 1960.

Funcionament

El transistor consta de tres parts dopades artificialment (impurees en materials específics en cantitats específiques) que formen dos unions bipolars: l'emissor que emet portadors, el colector que els rep o recolecta i la tercera, que està intercalada entre les dos primeres, modula el pas de dits portadors (base). A diferència de les vàlvules, el transistor és un dispositiu controlat per corrent i del que s'obté corrent amplificada. En el disseny de circuits als transistors se'ls considera un element actiu, a diferència dels resistorés, condensadores i inductors que són elements passius.

De manera simplificada, la corrent que circula pel colector és funció amplificada de la que s'injecta en el emissor, pero el transistor solament gradua la corrent que circula a través de sí mateixa, si des d'una font de corrent contínua s'alimenta la base per a que circule la càrrega pel colector, segons el tipo de circuit que s'utilise. El factor d'amplificament o guany conseguit entre corrent de colector i corrent de base, es denomina Beta del transistor. Atres paràmetros a tindre en conte i que són particulars de cada tipo de transistor són: Tensions de ruptura de Colector Emissor, de Base Emissor, de Colector Base, Potència Màxima, malbarat de calor, freqüència de treball, i vàries taules a on es grafican els distints paràmetros tals com a corrent de base, tensió Colector Emissor, tensió Base Emissor, corrent d'Emissor, etc. Els tres tipos d'esquemes(configuracions) bàsics per a utilisació analògica dels transistors són emissor comú, colector comú i base comuna.

Models posteriors al transistor descrit, el transistor bipolar (transistors FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilisa la corrent que s'injecta en el terminal de base per a modular la corrent d'emissor o colector, sino la tensió present en el terminal de porta i gradua la conductància del canal entre els terminals de Font i Drenage. Quan la conductància és nula i el canal es troba estrangulat, per efecte de la tensió aplicada entre Comporta i Font, és el camp elèctric present en el canal el responsable d'impulsar els electrons des de la font al drenage. D'esta manera, la corrent d'eixida en la càrrega conectada al Drenage (D) serà funció amplificada de la tensió present entre la comporta i la font, de manera anàloga al funcionament del triodo.

Els transistors d'efecte de camp són els que han permés l'integració a gran escala disponible hui en dia; per a tindre una idea aproximada poden fabricar-se varis centenars de mils de transistors interconectados, per centímetro quadrat i en vàries capes superpostes.

Tipos de transistor

Archiu:Transistor-photo.JPG

Distints encapsulados de transistors.

Transistor de contacte puntual

Cridat també «transistor de punta de contacte», va anar el primer transistor capaç d'obtindre guany, inventat en 1947 per John Bardeen i Walter Brattain. Consta d'una base de germani, semiconductor per a llavors millor conegut que la combinació coure-òxit de coure, sobre la que es recolzen, molt juntes, dos puntes metàliques que constituïxen l'emissor i el colector. La corrent de base és capaç de modular la resistència que es «veu» en el colector, d'ahí el nom de transfer resistor. Es basa en efectes de superfície, poc coneguts en el seu dia. És difícil de fabricar (les puntes s'ajustaven a mà), fràgil (un colp podia desplaçar les puntes) i sorollós. No obstant va conviure en el transistor d'unió pel seu major ample de banda. En l'actualitat ha desaparegut.

Transistor d'unió bipolar

Artícul principal → Transistor d'unió bipolar.

Archiu:Diagrama de Transistor NPN.svg

Diagrama de transistor NPN.

El transistor d'unió bipolar (o BJT, per les seues sigles de l'anglés bipolar junction transistor) es fabrica sobre un monocristal de material semiconductor com el germani, el silici o l'arseniuro de gali, les qualitats del qual són intermiges entre les d'un conductor elèctric i les d'un aïllant. Sobre el substrat de cristal es dopen en forma molt controlada tres zones successives, N-P-N o P-N-P, donant lloc a dos unions PN.

Les zones N (en les que abunden portadors de càrrega Negativa) s'obtenen dopant el substrat en àtoms d'elements donants d'electrons, com l'arsènic o el fòsfor; mentres que les zones P (a on es generen portadors de càrrega Positiva o «buits») es conseguixen dopant en àtoms aceptadores d'electrons, com l'indi, l'alumini o el gali.

Les tres zones dopades donen com resultat transistors PNP o NPN, a on la lletra intermija sempre correspon a la regió de la base, i les atres dos a l'emissor i al colector que, si be són del mateix tipo i de signe contrari a la base, tenen diferent dopats entre elles (per lo general, l'emissor està molt més dopat que el colector).

El mecanisme que representa el comportament semiconductor dependrà de dit dopat, de la geometria associada i del tipo de tecnologia de dopat (difusió gaseosa, epitaxial, etc.) i del comportament quàntic de l'unió.

Transistor d'efecte de camp

Artícul principal → transistor d'efecte camp.

Archiu:JFET-Transistor Symbole.svg

-Símbol del transistor JFET, en el que s'indiquen: drenador, sortidor i comporta.

El primer transistor d'efecte de camp o FET, sigles de l'anglés Field-Effect Transistor en la pràctica va ser un transistor d'efecte de camp d'unió (JFET), format per una barra de material semiconductor de silici de tipo N o P. En els terminals de la barra s'establix un contacte òhmic, tenim aixina un transistor d'efecte de camp tipo N de la forma més bàsica. Si es difonen dos regions P en una barra de material N i es conecten externament entre sí, es produirà una porta. A un d'estos contactes li cridarem sortidor i a l'atre drenador. Aplicant tensió positiva entre el drenador i el sortidor i conectant la porta al sortidor, establirem una corrent, a la que cridarem corrent de drenador en polarisació zero. En un potencial negatiu de porta al que cridem tensió de estrangulamiento, cessa la conducció en el canal.

El transistor d'efecte de camp que controla la corrent en funció d'una tensió; tenen alta impedència d'entrada.

• Transistor d'efecte de camp d'unió, JFET, construït per mig d'una unió PN.
• Transistor d'efecte de camp de comporta aïllada, IGFET, en el que la comporta s'aïlla del canal per mig d'un dielèctric.
• Transistor d'efecte de camp MOS, MOSFET, a on MOS significa Metal-Òxit-Semiconductor, en este cas la comporta és metàlica i està separada del canal semiconductor per una capa d'òxit.

Fototransistor

Artícul principal → Fototransistor.

Archiu:Phototransistor.symbol.npn.svg

Diagrama de fototransistor.

Els fototransistors són sensibles a la radiació electromagnètica en freqüències propenques a la de la llum visible; per açò el seu fluix de corrent pot ser regulat per mig de la llum incident. Un fototransistor és, en essència, lo mateix que un transistor normal, solament que pot treballar de dos maneres diferents:

• Com un transistor normal en la corrent de base (IB) (modo comú);
• Com a fototransistor, quan la llum que incidix en este element fa les voltes de corrent de base. (IP) (modo d'allumenament).

Transistors i electrònica de potència

Archiu:Transistors-white.jpg

Transistors en diferents encapsulados

En el desenroll tecnològic i evolució de l'electrònica, la capacitat dels dispositius semiconductors per a soportar cada volta majors nivells de tensió i corrent ha permés el seu us en aplicacions de potència. És aixina com actualment els transistors són amprats en conversores estàtics de potència, controls per a motors i claus d'alta potència (principalment inversors), encara que el seu principal us està basat en l'amplificament de corrent dins d'un circuit tancat.

Construcció

Material semiconductor

Característiques del material semiconductor

Material semiconductor	Tensió directa de l'unió V 25 °C	Movilitat d'electrons m²/(V·s) 25 °C	Movilitat de buits m²/(V·s) 25 °C	Màxima temperatura d'unió °C
Ge	0.27	0.39	0.19	70 a 100
Si	0.71	0.14	0.05	150 a 200
GaAs	1.03	0.85	0.05	150 a 200
Al-Si	0.3	—	—	150 a 200

Els primers transistors bipolars d'unió es varen fabricar en germani (Ge). Els transistors de Silici (Si) actualment predominen, pero certes versions alvançades de microones i d'alt rendiment ara ampren el compost semiconductor d'arseniuro de gali (GaAs) i l'aleació semiconductora de silici-germani (SiGe). El material semiconductor a pur de un element (Ge i Si) es descriu com a elemental.

Els paràmetros en bruto dels materials semiconductors més comuns utilisats per a fabricar transistors es donen en la taula adjunta; estos paràmetros variaran en l'aument de la temperatura, el camp elèctric, nivell d'impurees, la tensió, i atres factors diversos.

La tensió directa d'unió és la tensió aplicada a l'unió emissor-base d'un transistor bipolar d'unió en la finalitat de fer que la base conduïxca a una corrent específica. La corrent aumenta de manera exponencial a mida que aumenta la tensió en directa de l'unió. Els valors indicats en la taula són les típics per a una corrent de 1 mA (els mateixos valors s'apliquen als diodos semiconductors). Quant més baix és la tensió de l'unió en directa, millor, ya que açò significa que es requerix menys energia per a colocar en conducció al transistor. La tensió d'unió en directa per a una corrent donada disminuïx en l'aument de la temperatura. Per a una unió de silici típica, el canvi és de –2.1 mV/°C. En alguns circuits deuen usar-se elements compensadors especials (sensistores) per a compensar tals canvis.

La densitat dels portadors mòvils en el canal d'un MOSFET és una funció del camp elèctric que forma el canal i de varis atres fenomens tals com el nivell d'impurees en el canal. Algunes impurees, cridades dopantes, s'introduïxen deliberadament en la fabricació d'un MOSFET, per a controlar el seu comportament elèctric.

Les columnes de movilitat d'electrons i movilitat de buits de la taula mostren la velocitat mija en que els electrons i els buits es difonen a través del material semiconductor en un camp elèctric d'1 volt per metro, aplicat a través del material. En general, mentres més alta siga la movilitat electrònica, el transistor pot funcionar més ràpit. La taula indica que el germani és un material millor que el silici a este respecto. No obstant, el germani té quatre grans deficiències en comparació al silici i arseniuro de gali:

1. La seua temperatura màxima és llimitada.
2. Té una corrent de fuga relativament alta.
3. No pot soportar altes tensions.
4. És menys adequat per a la fabricació de circuits integrats.

Degut a que la movilitat dels electrons és més alta que la movilitat dels buits per a tots els materials semiconductors, un transistor bipolar n-p-n donat tendix a ser més ràpit que un transistor equivalent p-n-p. El arseniuro de gali té el valor més alt de movilitat d'electrons dels tres semiconductors. És per esta raó que s'utilisa en aplicacions d'alta freqüència. Un transistor FET de desenroll relativament recent, el transistor d'alta movilitat d'electrons (HEMT), té una heteroestructura (unió entre diferents materials semiconductors) de arseniuro de gali-alumini (AlGaAs)-arseniuro de gali (GaAs), que té el doble de la movilitat dels electrons que una unió de barrera GaAs-metal. Per la seua alta velocitat i baix nivell de soroll, els HEMT s'utilisen en els receptors de satèlit que treballen a freqüències entorn als 12 GHz. Els HEMT basats en nitrur de gali i nitrur de gali alumini (AlGaN/GaN HEMT) proporcionen una movilitat dels electrons encara major i s'estan desenrollant para diverses aplicacions.

Els valors de la columna de Màxim valor de temperatura de l'unió han segut presos a partir dels fulls de senyes de varis fabricants. Esta temperatura no deu ser excedida o el transistor pot danyar-se.

Les senyes de la fila Al-Si de la taula es referixen als diodos de barrera de metal-semiconductor d'alta velocitat (d'alumini-silici), coneguts comunament com diodos Schottky. Açò està inclós en la taula, ya que alguns transistor IGFET de potència de silici tenen un diodo Schottky invers «paràsit» format entre la font i el drenage com a part del procés de fabricació. Este diodo pot ser una molèstia, pero a voltes s'utilisa en el circuit del com forma part.

El transistor bipolar com a amplificador

El comportament del transistor es pot vore com dos diodos (Model de Ebers-Moll), un entre base i emissor, polarisat en directe i un atre diodo entre base i colector, polarisat en invers. Açò vol dir que entre base i emissor tindrem una tensió igual a la tensió directa d'un diodo, és dir 0,6 a 0,8 V per a un transistor de silici i uns 0,4 per al germani.

Lo interessant del dispositiu és que en el colector tindrem una corrent proporcional a la corrent de base: I_C = β I_B, és dir, guany de corrent quan β>1. Per a transistors normals de senyal, β varia entre 100 i 300. Existixen tres configuracions per a l'amplificador transistorizado: emissor comú, base comuna i colector comú.

Emissor comú

Archiu:NPN common emitter.svg

Emissor comú.

La senyal s'aplica a la base del transistor i s'extrau pel colector. L'emissor es conecta al punt de terra (massa) que serà comuna, tant de la senyal d'entrada com per a la d'eixida. En esta configuració, existix guany tant de tensió com de corrent. Per a conseguir l'estabilisació de l'etapa davant les variacions de la senyal, es dispon d'una resistència d'emissor, (R_I) i per a freqüències baixes, l'impedència d'eixida s'aproxima a R_C. El guany de tensió s'expressa:

$G_V=-\frac{R_C}{R_E}$

El signe negatiu, indica que la senyal d'eixida està invertida sobre la senyal d'entrada.

Si l'emissor està conectat directament a massa, el guany queda expressada de la següent forma:

$G_V=-\frac{R_C}{R_e}$

Com la base està conectada a l'emissor per un diodo polarisat en directe, entre ells es pot supondre que existix una tensió constant, denominada $V_{BE}$ i que el valor del guany (β) és constant. Del gràfic adjunt, es deduïx que la tensió d'emissor és:

$V_E=V_B-V_{BE}$

I la corrent d'emissor:

$I_E=\frac{V_E}{R_E}=\frac{V_B-V_{BE}}{R_E}$.

La corrent d'emissor és igual a la de colector més la de base:

$\begin{array}{cc}{I}_E& =I_C+I_B\\ & =I_C+\frac{I_C}{\beta }\\ & =I_C(1+\frac{1}{\beta })\\ \end{array}$

Rebujant la corrent de colector:

$I_C=\frac{I_E}{1+\frac{1}{\beta }}$

La tensió d'eixida, que és la de colector es calcula aixina:

$\begin{array}{cc}{V}_C& =V_{CC}-I_C{R}_C\\ & =V_{CC}-R_C*\frac{I_E}{1+\frac{1}{\beta }}\end{array}$

Com β >> 1, es pot aproximar:

$1+\frac{1}{\beta }=1$

i, llavors és possible calcular la tensió de colector com:

$\begin{array}{cc}{V}_C& =V_{CC}-R_C{I}_E\\ & =V_{CC}-R_C*\left(\frac{V_B-V_{BE}}{R_E}\right)\\ & =(V_{CC}+R_C\frac{V_{BE}}{R_E})-R_C\frac{V_B}{R_E}\end{array}$

La part entre paréntesis és constant (no depén de la senyal d'entrada), i la restant expressa la senyal d'eixida. El signe negatiu indica que la senyal d'eixida està desfasada 180° respecte a la d'entrada.

Finalment, el guany és expressat com:

$\begin{array}{cc}{G}_V& =\frac{V_C}{V_B}\\ & =-\frac{R_C}{R_E}\end{array}$

La corrent d'entrada, $I_B=\frac{I_E}{1+\beta }$, si $\beta >>1$ pot expressar-se com seguix:

$\begin{array}{cc}{I}_B& =\frac{I_E}{\beta }\\ & =\frac{V_E}{R_E\beta }\\ & =\frac{V_B-V_{BE}}{R_E\beta }\end{array}$

Suponent que $V_B>>V_{BE}$, podem escriure:

$I_B=\frac{V_B}{R_E\beta }$

En dividir la tensió i corrent en la base, l'impedència o resistència d'entrada queda com:

$\begin{array}{cc}{Z}_{in}& =\frac{V_B}{I_B}\\ & =\frac{V_B}{\frac{V_B}{R_E\beta }}\\ & =R_E\beta \end{array}$

Per a tindre en conte l'influència de freqüència es deuen utilisar models de transistor més elaborats. És molt freqüent usar el model en pi.

Disseny d'una etapa en configuració emissor comú

Archiu:Recta de Carga Transistor.jpg

Recta de càrrega d'un transistor en configuració d'emissor comú.

Archiu:Common Emitter amplifier.png

Amplificador d'emissor comú.

Recta de càrrega

Esta recta es traça sobre les curves característiques d'un transistor que proporciona el fabricant. Els punts per al traçat de la mateixa són: $Ic=\frac{Vcc}{Rc+Re}$ i la tensió de la font d'alimentació $Vcc$

En els extrems de la mateixa, s'observen les zones de tall i de saturació, que tenen utilitat quan el transistor actua com a interruptor. Commutarà entre abdós estats d'acort a la polarisació de la base.

L'elecció del punt Q és fonamental per a una correcta polarisació. Un criteri estés és el d'adoptar $Vce=\frac{Vcc}{2}$, si el circuit no posseïx $Re$. De contar en $Re$ com és el cas del circuit a considerar, el valor de $Vce$ es medirà des del colector a massa.

El punt Q, es manté estàtic mentres la base del transistor no reba una senyal.

Eixercici

Procedirem a determinar els valors de $Rc(R3),Re(R4),R1,R2,Zin,ZoyGv$

Senyes: $Vcc=20V,Icq=10mA,Vceq=8V,\beta =100$

$V_E=\frac{1}{10}{V}_{CC}=\frac{1}{10}20=2V$

${ℝ}_E=\frac{V_E}{I_E}\approxeq \frac{V_E}{I_C}=\frac{2V}{10mA}=200\Omega$

Esta aproximació s'admet perque $\beta \gg 10$

${ℝ}_C=\frac{V_{RC}}{I_C}=\frac{V_{CC}-V_{CE}-V_E}{I_C}=\frac{20V-8V-2V}{10mA}=1K\Omega$

$V_B=V_{BE}+V_E=0.7V+2V=2.7V$

Per a que el circuit opere en una zona d'eficàcia, la corrent a través del divisor de voltage $R_1$ i $R_2$, deu ser molt major que la corrent de base; com a mínim en una relació 10:1

$ℝ2\le \frac{1}{10}\beta R_E=\frac{1}{10}(100)(0.2K\Omega )=2k\Omega$

$V_B=\frac{R_2}{R_1+R_2}{V}_{CC}$ utilisant el valor de $V_B$ obtingut anteriorment $V_B=2.7V=\frac{(2k\Omega )(20V)}{R_1+2k\Omega }$ $\therefore$ $ℝ1=\frac{(2k\Omega )(20V)}{2.7V}-(2k\Omega )=12.8k\Omega$

La resistència dinàmica del diodo en la juntura de l'emissor $r_e$, es calcula prenent el valor del voltage tèrmic en la mateixa, i està donat per: $r_e=\frac{V_T}{I_E}\approxeq \frac{V_T}{I_C}=\frac{26mV}{10mA}=2.6\Omega$

En este valor, es procedix a calcular el guany de voltage de l'etapa; $G_V=-\frac{R_C}{r_e}=-\frac{1K\Omega }{2.6\Omega }=-385$ No es pren en conte $R_E$ ya que l'emissor es troba a nivell de massa per a la senyal per mig de $C_E$, que en l'esquema es mostra com $C_3$; llavors, l'impedència d'eixida $Z_O$, pren el valor de $R_C$ si el transistor no té càrrega. Si es considera la càrrega $R_L$, $Z_O$ es determina per ${\mathbb{Z}}_O=\frac{1}{\frac{1}{R_C}+\frac{1}{R_L}}$ considerant que $R_L$ té el valor $5K\Omega$, ${\mathbb{Z}}_O=\frac{1}{\frac{1}{1K\Omega }+\frac{1}{5K\Omega }}=830\Omega$

En considerar la$R_L$, el guany de tensió es veu modificada: $G_V=-\frac{830\Omega }{2.6\Omega }=-319$

L'impedència d'entrada en la base del transistor per a l'eixemple, està donada per $Z_b=r_e\beta =(2.6)(100)=260\Omega$

Mentres que l'impedència d'entrada a l'etapa, es determina: ${\mathbb{Z}}_i=\frac{1}{\frac{1}{R_1}+\frac{1}{R_2}+\frac{1}{Z_b}}=\frac{1}{\frac{1}{12.8k\Omega }+\frac{1}{2k\Omega }+\frac{1}{260\Omega }}=226\Omega$

La reactància dels capacitores no s'ha tingut en conte en els càlculs, perque s'han elegit d'una capacitat tal, que la seua reactància $X_C\to 0$ en les freqüències de senyals amprades.

Base comuna

Archiu:NPN common base.svg

Base comuna.

La senyal s'aplica a l'emissor del transistor i s'extrau pel colector. La base es conecta a les masses tant de la senyal d'entrada com a la d'eixida. En esta configuració es té guany solament de tensió. L'impedència d'entrada és baixa i el guany de corrent alguna cosa menor que un, degut a que partix de la corrent d'emissor ix per la base. Si afegim una resistència d'emissor, que pot ser la pròpia impedència d'eixida de la font de senyal, un anàlisis similar al realisat en el cas d'emissor comú, dona com a resultat que el guany aproximat és:

$G_V=\frac{R_C}{R_E}$

La base comuna se sol utilisar per a adaptar fonts de senyal de baixa impedència d'eixida com, per eixemple, micròfons dinàmics.

Colector comú

Archiu:Common collector.png

Colector comú.

La senyal s'aplica a la base del transistor i s'extrau per l'emissor. El colector es conecta a les masses tant de la senyal d'entrada com a la d'eixida. En esta configuració es té guany de corrent, pero no de tensió que és llaugerament inferior a l'unitat. L'impedència d'entrada és alta, aproximadament β+1 voltes l'impedència de càrrega. Ademés, l'impedència d'eixida és baixa, aproximadament β voltes menor que la de la font de senyal.

El transistor bipolar front a la vàlvula termoiònica

Abans de l'aparició del transistor, eren usades les vàlvules termoiòniques. Les vàlvules tenen característiques elèctriques similars a la dels transistors d'efecte camp (FET): la corrent que els travessa depén de la tensió en el terminal cridat reixeta. Les raons per les que el transistor va reemplaçar a la vàlvula termoiònica són vàries:

• Les vàlvules necessiten tensions molt altes, de l'orde de les centenes de volts, que són perilloses per al ser humà.
• Les vàlvules consumixen molta energia, lo que les torna particularment poc útils per a l'us en bateries.

• El pes: El chassis necessari per a estajar les vàlvules i els transformadors requerits per al seu funcionament sumaven un pes important, que anava des d'alguns quilos a decenes de quilos.
• El temps mig entre falles de les vàlvules termoiòniques, el qual és molt curt comparat en el dels transistors, sobretot a causa de la calor generada.
• Retardo en l'arrancada: Les vàlvules presenten una certa demora en començar a funcionar, ya que necessiten estar calentes per a establir la conducció.
• L'efecte microfónico: Molt freqüent en les vàlvules a diferència dels transistors, que són intrínsecament insensibles a ell.
• Tamany: Els transistors són més chicotets que les vàlvules. Encara que existix unanimitat sobre este punt, convé fer una salvetat: en el cas de dispositius de potència, estos deuen dur un disipador, de modo que el tamany que s'ha de considerar és el del dispositiu (vàlvula o transistor) més el del disipador. Com les vàlvules poden funcionar a temperatures més elevades, l'eficiència del disipador és major en elles que en els transistors, en lo que basta un disipador molt més chicotet.
• Els transistors treballen en impedència baixes, o siga en tensions reduïdes i corrents altes; mentres que les vàlvules presenten impedència elevades i per lo tant treballen en altes tensions i chicotetes corrents.
• Cost: Els transistors costaven menys que les vàlvules, des del seu llançament inicial i es va contar en la promesa de les empreses fabricants de que el seu cost continuaria baixant (com de fet va ocórrer) en suficient investigació i desenroll.

Com a eixemple de tots estos inconvenients es pot citar a la primera computadora digital, cridada ENIAC, la qual pesava més de trenta tonellades i consumia 200 kW, suficients per a alimentar una chicoteta ciutat, a causa de les seues aproximadament 18 000 vàlvules, de les quals algunes es cremaven cada dia, necessitant una llogística i una organisació importants per a mantindre este equip en funcionament.

El transistor bipolar va reemplaçar progressivament a la vàlvula termoiònica durant la década de 1950, pero no del tot. En efecte, durant els anys 1960, alguns fabricants varen seguir utilisant vàlvules termoiòniques en equips de radi de gama alta, com Collins i Drake; després el transistor va desplaçar a la vàlvula dels transmissors pero no del tot en els amplificadors de radiofrecuencia. Atres fabricants d'instruments elèctrics musicals com Fender, varen seguir utilisant vàlvules en els seus amplificadors d'àudio per a guitarres elèctriques. Les raons de la supervivència de les vàlvules termoiòniques són vàries:

• Falta de linealitat: El transistor no té les característiques de linealitat a alta potència de la vàlvula termoiònica, per lo que no va poder reemplaçar-l'en els amplificadors de transmissió de ràdio professionals i de radioaficionados sino fins a varis anys despuix.^{cita requerida}
• Generació de senyals harmòniques: Les senyals harmòniques introduïdes per la falta de linealitat de les vàlvules resulten agradables a l'oït humà, com demostra la psicoacústica, per lo que són preferits pels audiófilos.
• Sensibilitat a explosions nuclears: El transistor és molt sensible als efectes electromagnètics de les explosions nuclears, per lo que es varen seguir utilisant vàlvules termoiòniques en alguns sistemes de control i comando d'avions caça de fabricació soviètica.^{cita requerida}
• Maneig d'altes potències: Les vàlvules són capaces de manejar potències molt grans, a diferència de la que manejaven els primers transistors; no obstant a través dels anys es varen desenrollar etapes de potència en múltiples transistors en paralel capaços de conseguir maneig de potències majors.

Vore també: Vàlvula termoiònica i Transistor bipolar

Vore també

• Història del transistor
• Quiteron
• Semiconductor
• Transistor d'aleació
• Transistor de película prima
• Transistor d'unió bipolar
• Transistor IGBT
• Transistor uniunión

• Vàlvula termoiònica
• Datasheet

Bibliografia

1. Alley-Atwood. Ingenieria Electrònica. ISBN 968-18-0967-X
2. Boylestad-Nashelsky. Electrònica. Teoria de circuits. ISBN 968-880-347-2

Enllaços externs

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Transistor.

Archiu:Wiktionary-logo-v2.svg Transistor en el Viccionari.

• Transistors Vs. Vàlvules per a aplicacions en àudio d'alta fidelitat - Oscar Bonello, fundador de la companyia Solidyne i membre d'Àudio Engineering Society (AES), propon una interpretació possible sobre la rivalitat entre entusiasta d'una o una atra tecnologia.
• Cóm funcionen realment els transistors
• Archivat el 13 de decembre de 2008 archivat en Wayback Machine. Versió original en anglés