¿Flujo de agujeros en el transistor?

Question

Se dice que los transistores bipolares tienen tanto flujo de electrones como de agujeros. El movimiento de los electrones se puede entender, pero los agujeros son parte fija de la estructura atómica/cristalina. ¿Cómo podemos caracterizar su movimiento?

Answer 1

Los agujeros son espacios en los que podría estar un electrón pero que actualmente no está. Como cualquier agujero del mundo macroscópico, no se puede mover uno; es una ausencia. Lo único que se puede hacer es llenar el agujero, lo que crea un nuevo agujero en otro lugar. En cierto modo, podemos modelar esto como una partícula imaginaria que fluye en la dirección opuesta a los electrones (y, por tanto, en la misma dirección que la corriente), pero no hay ninguna partícula real que se mueva en esa dirección. Como la mayoría de los modelos, es una ficción conveniente que facilita las matemáticas.

Answer 2

Una buena manera de pensar en esto es imaginar una rampa inclinada con una ranura llena de canicas en la pendiente de la rampa. Cuando quitas la canica de abajo, la pila de atrás se desplaza hacia abajo y aparece un agujero en la parte superior de la pila.

Si bien es cierto que en los cristales el mecanismo de transporte de carga son los electrones, los agujeros son algo más que un marcador de posición conceptual. Todas las ecuaciones funcionan igual de bien con los agujeros que con los electrones, puedes hacer los cálculos y determinar la masa efectiva de los agujeros y la movilidad de los agujeros (que en el Si es aproximadamente 2,5 veces más lenta que la de los electrones). Así que no deberías tomar el hecho de que no son reales como si no tuvieran efectos reales.

Answer 3

Así:

A BCDEFG
 ^ here is a hole between two letters

Ahora observa cómo se "mueve":

AB CDEFG (Actually, B moved left)
ABC DEFG (C moved left)
ABCD EFG
ABCDE FG
ABCDEF G

Los agujeros no se mueven realmente, pero lo parece. Cuando un electrón se mueve, un agujero se cierra y otro se abre cerca.

Cada vez que una letra se mueve un espacio hacia la izquierda, un agujero también se mueve un espacio hacia la derecha. Podemos considerar esta situación como un movimiento de letras hacia la izquierda, o como un movimiento de agujeros hacia la derecha. Es equivalente.

Tenga en cuenta que, en electrónica, la corriente suele describirse como un flujo de cargas positivas, desde un nodo con una tensión más positiva hacia un nodo con una tensión más negativa. Esto se llama corriente convencional . Pero la corriente real consiste en realidad en electrones que van de negativo a positivo. Esta inversión no importa porque la corriente es sólo una abstracción matemática. Todas las ecuaciones que describen el comportamiento de los dispositivos funcionan bien.

Los científicos asignaron arbitrariamente etiquetas "positivas" y "negativas" a las cargas, mucho antes de que se conociera la estructura del átomo. Así que sólo más tarde se supo que las cargas que realmente se mueven a través de los conductores son las que se etiquetaron como "negativas".

Answer 4

SEMICONDUCTORES, DIODOS Y TRANSISTORES

ELECTRONES Y AGUJEROS

Pensemos en una fila de monedas de un céntimo colocadas en línea, tocándose, a lo largo de una mesa. Mueve el centavo del extremo derecho un centavo hacia la derecha, dejando un espacio. A continuación, sigue moviendo el céntimo de la izquierda del hueco hacia el espacio. A medida que avanzas, todos los céntimos se han movido hacia la derecha y el hueco se ha desplazado por la mesa hacia la izquierda. Ahora imagina que los céntimos son electrones, y podrás ver cómo los electrones que se mueven en un sentido a través de un semiconductor hacen que los huecos se muevan en sentido contrario.

Para estirar la analogía, podríamos utilizar pequeños montones de monedas de un céntimo, de modo que muchas tienen que moverse a la derecha antes de que un agujero se mueva a la izquierda. O podríamos tener pocos centavos y mucho espacio, de modo que los agujeros se desplazan con facilidad a medida que los escasos centavos se mueven por los amplios espacios. Estos dos casos modelan las dos formas de silicio dopado: si se añaden muchos electrones, tenemos el tipo N, y si se eliminan muchos agujeros (electrones), tenemos el tipo P. Los tipos se consiguen mezclando (dopando) el Silicio con pequeñas cantidades de otros metales.

Al tener que luchar los electrones a través de los átomos de un semiconductor, su resistividad es relativamente alta. Los primeros semiconductores utilizaban germanio, pero, salvo en casos especiales, hoy en día el silicio es la opción universal.

El alambre de cobre puede visualizarse como si tuviera grandes pilas de electrones de centavos, todos juntos, por lo que una corriente es el movimiento de los pocos centavos en la parte superior de las pilas, no se producen agujeros en absoluto. Con tantos disponibles para la corriente, la resistividad, como sabemos, es baja.

DIODO

El diodo semiconductor más común (hay otros tipos especializados) tiene una unión entre el tipo N y el tipo P. Si se aplica una tensión al diodo, positiva en el extremo de tipo N y negativa en el otro, todos los electrones son atraídos hacia el extremo positivo, dejando huecos en el extremo negativo. Al no haber apenas electrones en el centro, casi no puede fluir la corriente. El diodo está "polarizado en sentido inverso".

Cuando el voltaje se aplica en sentido contrario, negativo en el extremo de tipo N y positivo en el de tipo P, los electrones son atraídos hacia el centro y pueden cruzar para anular los agujeros en el tipo P, y fluir hacia el cable de conexión. En el otro extremo, de tensión negativa, los electrones son repelidos hacia el centro del diodo, para ser sustituidos por los que llegan desde el cable, de modo que en general puede fluir fácilmente una corriente: el diodo está polarizado hacia delante.

Las conexiones de un diodo se denominan "ánodo", que es el extremo positivo cuando el diodo está polarizado hacia delante, y "cátodo", que es el extremo negativo. Lo recuerdo por analogía con los mismos términos para las válvulas, que necesitan un alto voltaje positivo (H.T. por "High Tension" - no se acerque a los dedos) en el ánodo para que fluya la corriente. Una buena nemotecnia para la polaridad de un diodo polarizado hacia adelante podría ser PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".

Un diodo varactor aprovecha el hecho de que dos zonas de carga separadas, la positiva y la negativa, forman un crudo condensador. Por ello, se fabrican diodos especialmente diseñados para aprovechar este hecho, cuando se invierte la polaridad. La tensión aplicada separa las cargas, formando una "capa de agotamiento" entre los contactos. El aumento de la tensión inversa aplicada hace que esta capa sea más gruesa, reduciendo así la capacidad, y viceversa. Los diodos varactores se utilizan habitualmente en los circuitos sintonizados para variar la frecuencia, sustituyendo a los condensadores vanados que se utilizaban en la época de las válvulas.

TRANSISTOR BIPOLAR

Un transistor bipolar es aquel cuyo funcionamiento depende tanto de los electrones como de los huecos. Se compone de dos diodos que comparten una capa central común. Uno de los terminales exteriores es el colector C y el otro es el emisor E. La conexión central es la base B, y forma parte de los diodos CB y BE. Así que tenemos un sándwich de tres capas. En el uso normal, el diodo entre C y B está polarizado en sentido inverso, por lo que, sin la presencia del diodo BE y su efecto, no fluiría ninguna corriente, porque todos los electrones son atraídos hacia un extremo de la sección CB, y los agujeros hacia el otro extremo, como en un diodo, por la tensión aplicada.

El diodo BE está polarizado hacia adelante, por lo que puede fluir una corriente y el circuito externo está configurado para limitarla a un valor bastante pequeño, pero todavía hay una gran cantidad de agujeros y electrones que fluyen a través de la base y el emisor.

Ahora la parte inteligente. La conexión común de los diodos CB y BE en la Base se hace muy fina, por lo que la avalancha de electrones y agujeros en la parte BE reemplaza a los que la tensión inversa del Colector ha retirado, y una corriente puede ahora fluir a través de este diodo CB en la dirección inversa, y luego a través de la unión BE con polarización hacia adelante al Emisor y hacia fuera en el circuito externo.

Creo que es obvio que no se puede hacer un transistor soldando dos diodos espalda con espalda, la acción requiere que se comparta íntimamente la fina capa dentro del Silicio.

La corriente de colector depende de que haya una corriente de base fluyendo, y el transistor está diseñado para que una pequeña corriente en el diodo BE abra el camino a una corriente mucho mayor en la unión CB. De este modo, tenemos una amplificación de la corriente. Utilizando las caídas de tensión a través de las resistencias externas, esto puede convertirse en una amplificación de la tensión.

Estos transistores se denominan "bipolares" porque efectivamente tienen dos uniones.

He evitado cuidadosamente mencionar el tipo de material en los diodos CB y BE, las ideas son las mismas para ambos, y podemos tener NPN o PNP como las posibles capas. La flecha en el símbolo, que muestra la dirección de la corriente de colector convencional (lo contrario del flujo de electrones), apunta en la dirección del lado negativo de la tensión CE aplicada, por lo que la corriente es "fuera de P y en N en el emisor".

TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO, o FET

Hay muchos diseños diferentes de FET, y esta es una visión muy simplista de su principio básico.

Se trata de transistores "unipolares", aunque el término no se utiliza a menudo, porque su funcionamiento depende sólo de los electrones y los campos eléctricos, no de los agujeros.

Aquí tenemos un único bloque de silicio dopado, el "canal", con grumos del tipo opuesto en los lados, o como un anillo circundante. Por lo tanto, sólo tenemos una unión de diodos, que se denomina puerta G, entre los terrones o el anillo y el canal. El canal actúa como una resistencia, con una corriente que fluye desde un extremo, la fuente S, hasta el otro, el drenaje D. La unión entre la puerta y el canal está polarizada en sentido inverso, por lo que no fluye la corriente, pero se establece un campo eléctrico que atrae las cargas, electrones o huecos, hacia los lados del canal, dejando menos disponibles para la corriente SD. Por lo tanto, tenemos la corriente SD controlada por el voltaje en la puerta.

Obsérvese que se trata de un dispositivo controlado por tensión, prácticamente no entra ni sale corriente de la Puerta. Piensa en la ley de Ohm Resistencia = Voltios/Amperios, y vemos que una corriente muy baja significa una Resistencia muy alta, por lo que se dice que el FET tiene una impedancia de entrada muy alta -- su principal ventaja sobre el Bipolar, donde, por el contrario, se necesita poco voltaje para enviar la corriente a través de la base, dándole una baja impedancia de entrada