En la nostra secció de components electrònics hem parlat ja força de diferents tipus de transistors comercials. Ara toca aprofundir en un transistor molt utilitzat, es tracta de la família de transistors BJT, és a dir, els transistors bipolars, tan presents en multitud d'aparells electrònics que fem servir en el dia a dia.
així podràs conèixer més de prop sobre aquests transistors i les diferències amb els unipolars...
Què és un semiconductor?
-
- SONY DSC
-
- SONY DSC
Els semiconductors són materials que tenen una conductivitat elèctrica entre la dels conductors i la dels aïllants. A diferència dels metalls (bons conductors) i els no metalls (aïllants o dielèctrics), els semiconductors ocupen una posició única que els permet ser manipulats per controlar el flux de corrent elèctric.
Su estructura cristal·lina, típicament composta d'elements com a silici o germani, és essencial per comprendre el seu comportament. Els àtoms d'aquests materials formen una estructura cristal·lina on els electrons estan compartits entre àtoms en bandes d'energia. La banda de valència conté electrons que estan fortament lligats als àtoms, mentre que la banda de conducció conté electrons que es poden moure lliurement.
Els materials semiconductors són fonamentals en la fabricació de dispositius electrònics avançats. El silici, sent un dels semiconductors més utilitzats, és omnipresent a la indústria i forma la base de xips i microprocessadors. A més del silici, el germani és un altre material semiconductor comú que ha estat emprat en tecnologies més antigues. Compostos semiconductors com l'arseniur de gal·li (GaAs) i el fosforè també han guanyat importància, especialment en aplicacions d'alta freqüència i optoelectròniques. Aquests materials permeten la creació de dispositius com díodes emissors de llum (LED), transistors d'alta freqüència i sensors avançats, demostrant la versatilitat i vitalitat dels semiconductors a l'avantguarda de la innovació tecnològica.
Portadors de càrrega i conducció electrònica
La capacitat dels semiconductors per conduir electricitat rau en la seva capacitat per generar portadors de càrrega. Els portadors de càrrega poden ser electrons amb càrrega negativa o buits amb càrrega positiva, que resulten d'electrons que han estat desplaçats de la banda de valència a la banda de conducció.
Quan s'aplica un voltatge a un semiconductor, els electrons poden moure's de la banda de valència a la banda de conducció, creant corrent elèctric. Aquest fenomen es coneix com a conducció electrònica i és fonamental per al funcionament de dispositius electrònics.
Dopants (impureses)
Per millorar i controlar les propietats elèctriques dels semiconductors, s'introdueixen impureses deliberades al vidre mitjançant un procés anomenat dopatge. Els àtoms de dopant poden ser de tipus donant (afegint electrons extra) o de tipus acceptador (creant buits), és a dir, els primers serien els anomenats semiconductors tipus N i els segons els tipus P.
Els dopants introdueixen nivells d'energia addicionals a la banda prohibida, permetent un major control sobre la conducció electrònica. Alguns exemples comuns de dopants són el fòsfor (donant) i el bor (acceptador) per al silici. D'aquesta manera, es poden crear zones o unions per crear dispositius com ara un díode, que és bàsicament una sola unió PN o semiconductors, que solen ser tres zones com veurem més endavant.
Tipus de Semiconductors: Intrínsecs i Extrínsecs
D'altra banda, per comprendre el BJT, també és important conèixer què tipus de semiconductors existeixen, com són:
- Intrínsecs: quan no s'agreguen impureses a un semiconductor, es classifica com a intrínsec. En aquest cas, la conducció elèctrica es deu únicament a la generació tèrmica de portadors de càrrega (parells electró-buit).
- Extrínsecs: són el resultat del dopatge intencional amb impureses. Els semiconductors de tipus n (negatiu) s'obtenen afegint dopants donants, mentre que els de tipus p (positiu) es formen amb dopants acceptadors. Aquests processos permeten ajustar les propietats elèctriques dels semiconductors segons les necessitats específiques de les aplicacions.
Introducció a les unions PN
La unió PN és un concepte essencial en l'electrònica de semiconductors que estableix les bases per a la creació de dispositius com ara díodes i transistors. Una unió PN es forma quan dues regions dun material semiconductor suneixen. Aquestes regions són la regió tipus P (on la concentració de portadors de càrrega positiva o buits és predominant) i la regió tipus N (on la concentració de portadors de càrrega negativa o electrons és predominant). La transició entre aquestes dues regions crea una interfície única amb propietats elèctriques especials.
La formació de la unió PN sol ocórrer mitjançant un procés anomenat dopatge, on s'introdueixen impureses deliberades al material semiconductor. A la regió tipus P, s'utilitzen dopants acceptadors (com el bor), mentre que a la regió tipus N s'utilitzen dopants donants (com el fòsfor), com he comentat anteriorment. Aquest procés crea un gradient de concentració de portadors de càrrega al llarg de la unió, establint així la barrera de potencial.
Quant al comportament d'aquesta unió PN, té propietats úniques quan es polaritza en diferents adreces:
- En polarització directa, s'aplica un voltatge a la direcció que afavoreix el flux de corrent a través de la unió. En aquest cas, els portadors de càrrega es mouen a través de la barrera de potencial, permetent la conducció elèctrica.
- Per contra, en polarització inversa, el voltatge aplicat treballa en contra de la barrera de potencial, dificultant el flux de corrent. En aquest estat, la unió PN actua com un díode, permetent la conducció en una adreça i bloquejant-la en la direcció oposada.
La unió PN és la base de molts dispositius electrònics. Els díodes, per exemple, aprofiten la propietat de la unió PN per permetre el flux de corrent en una direcció i bloquejar-lo a l'altra. Els transistors, fonamentals per a la lògica digital i l'amplificació de senyals, també es construeixen utilitzant diverses unions PN, com en el cas dels BJT que poden tenir unions NPN o PNP…
Què és un transistor BJT?
El transistor d'unió bipolar (BJT o Bipolar Juntion Transistor) és un dispositiu electrònic d'estat sòlid compost per dues unions PN molt properes, permetent l'augment de corrent, la disminució de voltatge i el control del flux de corrent a través dels terminals. La conducció en aquest tipus de transistor involucra portadors de càrrega de les dues polaritats (buits positius i electrons negatius). Els BJT són àmpliament utilitzats en electrònica analògica i algunes aplicacions d'electrònica digital, com ara la tecnologia TTL o BiCMOS.
La història dels transistors bipolars es remunta al 1947, quan John Bardeen i Walter Houser Brattain van inventar el transistor bipolar de contacte de punt a la Bell Telephone Company. Posteriorment, William Shockley va desenvolupar el transistor bipolar d'unió el 1948. Tot i que van ser fonamentals durant dècades, el seu ús ha disminuït a favor de la tecnologia CMOS en circuits digitals integrats.
L'estructura d'un BJT consta de tres regions:
- L'emissor (altament dopat i funcional com a emissor de càrrega)
- La base (estreta i separa l'emissor del col·lector)
- El col·lector (de major extensió).
La deposició epitaxial és la tècnica comuna de fabricació. En funcionament normal, la unió base-emissor està polaritzada en directa, mentre que la base-col·lector està polaritzada en inversa. El principi de funcionament implica la polarització directa de la unió base-emissor i la polarització inversa de la unió base-col·lector. Els electrons s'injecten des de l'emissor fins al col·lector, permetent l'amplificació de senyals. El BJT es caracteritza per la baixa impedància d'entrada i pot ser modelat com una font de corrent controlada per voltatge o una font de corrent controlada per corrent.
Funcionament del transistor bipolar
Pel que fa al funcionament, tenim que en un transistor d'unió bipolar (BJT) en configuració NPN, la unió base-emissor es polaritza en directa i la unió base-col·lector en inversa. L'agitació tèrmica permet que els portadors de càrrega de l'emissor travessen la barrera de potencial emissor-base i arribin al col·lector, impulsats pel camp elèctric entre la base i el col·lector. En operació típica, la unió base-emissor està polaritzada en directa, permetent que els electrons s'injectin a la regió de la base i es desplacen cap al col·lector. La regió de la base ha de ser prima per minimitzar la recombinació de portadors abans darribar a la unió base-col·lector. El corrent col·lector-emissor pot ser controlat pel corrent base-emissor (control de corrent) o per la tensió base-emissor (control de voltatge). En un transistor PNP és al revés…
Diferències amb el transistor unipolar
Els transistors poden classificar-se en dues categories principals: bipolars i unipolars. Les diferències clau que trobem entre tots dos són:
- BJT o bipolars: igual que en els transistors unipolars, els transistors bipolars també compten amb portadors de càrrega positius i negatius, és a dir, amb regions dopates P i N en la seva estructura. Pel que fa a la polarització, es poden polaritzar de manera directa o inversa, depenent del que es necessiti, i poden ser de tipus NPN o PNP. Pel que fa als modes d'operació, hem de funcionar en mode actiu, mode tall i mode saturació. Estan controlats per corrent, i tenen un guany de corrent representat per la lletra β (beta). La pèrdua de potència en aquest cas és superior a la dels transistors unipolars i la seva velocitat generalment és més lenta que els unipolars. Per això, se solen utilitzar en amplificadors de senyal analògic, i commutació de baixa freqüència, entre d'altres. Els BJT són més susceptibles al soroll.
- FET o unipolars: els transistors unipolars o d'efecte de camp, també usen portadors de càrrega, però aquí tenim electrons o buits, depenent del tipus. La polarització principal aquí és la inversa, i els modes doperació en saturació principalment. En aquest cas tenim transistors controlats per voltatge. El guany de corrent està representat en aquest cas per la transconductància, la pèrdua de potència és menor que als bipolars, i són més ràpids. Per aquest motiu, se solen utilitzar per a commutació a alta freqüència i per a circuits digitals. Els unipolars són menys susceptibles al soroll.
Tipus de BJT (NPN i PNP)
Com he comentat a diverses parts de l'article, existeixen dos tipus principals de transistors BJT:
- Transistors NPN: formen part d'un dels dos tipus fonamentals de transistors bipolars, on les lletres «N» i «P» indiquen els portadors de càrrega majoritaris presents a les diverses regions del dispositiu. Actualment, la majoria dels transistors bipolars són del tipus NPN, ja que la mobilitat dels electrons és superior a la dels «buits» en semiconductors, permetent així corrents més elevats i velocitats operatives superiors. L'estructura d'un transistor NPN comprèn una capa de material semiconductor dopat P, anomenada «base», situada entre dues capes de material dopat N. En la configuració emissor-comú, un corrent petit que flueix cap a la base s'amplifica a la sortida del col·lector. El símbol del transistor NPN inclou una fletxa que assenyala la terminal de l'emissor i la direcció del corrent convencional durant el funcionament actiu del dispositiu.
- Transistors PNP: el segon tipus de transistor bipolar, presenten lletres «P» i «N» que fan referència a les càrregues majoritàries a diferents regions del dispositiu. Encara que menys comuns en l'actualitat, els transistors PNP consisteixen en una capa de material semiconductor dopat N entre dues capes de material dopat P. En l'operació típica, el col·lector es connecta a terra, i l'emissor es vincula al terminal positiu de la font dalimentació mitjançant una càrrega elèctrica externa. Un corrent petit que flueix cap a la base possibilita el pas d'un corrent significativament més gran des de l'emissor cap al col·lector. La fletxa al símbol del transistor PNP es troba a la terminal de l'emissor i apunta a la direcció del corrent convencional durant el funcionament actiu del dispositiu. Tot i la seva menor prevalença, els transistors NPN són preferits en la majoria de les situacions a causa del seu millor rendiment.
Pots veure tots els detalls a les imatges anteriors.
Aplicacions d'un BJT
Els transistors d'unió bipolar (BJT) s'utilitzen en una varietat de aplicacions en electrònica, ja he comentat alguns casos anteriorment, però aquí us mostro una llista amb algunes de les principals aplicacions o usos d'aquests transistors:
- Amplificació de senyal: els BJT s'utilitzen comunament per amplificar senyals febles, com els provinents de sensors o micròfons, en circuits d'àudio i radiofreqüència.
- Commutació: s'utilitzen per controlar la commutació de corrent en circuits digitals i lògics, com a interruptors electrònics, per poder implementar portes lògiques.
- Amplificadors de potència: es fan servir en etapes d'amplificació de potència en sistemes d'àudio i amplificadors de RF (radiofreqüència). De fet, una de les primeres aplicacions per als quals es van dissenyar aquests transistors va ser per això, substituint els tubs de buit anteriors.
- Fonts d'energia: es poden configurar per generar corrent constant, cosa que és útil en certs circuits i aplicacions de referència de corrent. També els trobaràs als sistemes o circuits reguladors de voltatge per mantenir un voltatge constant a la sortida de la font d'alimentació.
- oscil·ladors: s'utilitzen en circuits oscil·ladors per generar senyals periòdics, com en generadors d'ones sinusoïdals.
- Amplificació de RF: en sistemes de comunicació, els BJT es fan servir en etapes d'amplificació de senyals de radiofreqüència.
- Modulació d'amplitud i freqüència: es fan servir en circuits de modulació per alterar les característiques de senyals dàudio o RF. També es poden implementar en alguns sensors o detectors per tractar els senyals.
Com comprovar un transistor BJT
Comprovar un transistor BJT és important per garantir-ne el bon funcionament. Si vols saber com es fa, només necessitaràs un multímetre o polímetre que comptin amb aquesta funció per comprovar transistors bipolars. I la manera de procedir és molt senzilla, tan sols has de seguir aquests passos:
- BJT NPN: primer has d'identificar els terminals o pins Emissor (E), Base (B) i Col·lector (C) que inclou el teu transistor. Depenent del model, podeu consultar els datasheets per a més detalls, encara que és fàcil de saber. Un cop tens identificats els terminals i el multímetre a mà, el següent és simplement inserir els pins de forma correcta a les ranures per a aquest fi. En cas que no tingui aquesta funció el teu multímetre, pots fer servir aquesta altra alternativa:
- Posa el multímetre en mode de prova de transistors, és a dir, gira la roda per seleccionar el símbol per mesurar Voltatge continu (V —).
- Toca amb les sondes del multímetre els pins desitjats:
- Quan comproveu la unió BE o Base-Emissor, haureu de veure a la pantalla una lectura de voltatge d'entre 0.6 i 0.7v, depenent del transistor.
- Quan comproves la unió BC o Base-Col·lector, toques aquests altres terminals i la lectura del voltatge ha de ser similar a l'anterior.
- Per comprovar el guany de corrent (hFE), gireu el selector de selecció a la funció hFE. I en tocar amb les sondes l'emissor i la base, i emissor i col·lector per determinar el guany hFE, que serà la relació entre totes dues.
- BJT PNP: en aquest altre cas, la comprovació és similar, però de manera oposada al d'un NPN.
Si els resultats obtinguts són valors fora del que s'esperava, el transistor estarà indicant que no funciona o està defectuós i necessita un reemplaçament.
On comprar un BJT
Si vols comprar transistors BJT barats, ho pots fer a qualsevol botiga d'electrònica o plataforma en línia especialitzada. Un lloc on trobaràs aquests dispositius BJT és a Amazon, i nosaltres t'aconsellem aquests:
