Transistor de unión bipolar

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Transistor de unión bipolar (BJT)
Transistor (recortado).jpg
Paquetes BJT individuales típicos. De arriba a abajo: TO-3 , TO-126 , TO-92 , SOT-23
Principio de funcionamientoSemiconductor
inventadodiciembre de 1947
Configuración de pinesColector , base, emisor
símbolo electrónico
IEEE 315-1975 (1993) 8.6.1.svg IEEE 315-1975 (1993) 8.6.2.svg
Símbolos esquemáticos BJT PNP y NPN

Un transistor de unión bipolar ( BJT ) es un tipo de transistor que utiliza electrones y huecos de electrones como portadores de carga . Por el contrario, un transistor unipolar, como un transistor de efecto de campo , utiliza solo un tipo de portador de carga. Un transistor bipolar permite que una pequeña corriente inyectada en uno de sus terminales controle una corriente mucho mayor que fluye entre los terminales, lo que hace que el dispositivo sea capaz de amplificación o conmutación.

Los BJT utilizan dos uniones entre dos tipos de semiconductores , tipo n y tipo p, que son regiones en un solo cristal de material. Las uniones se pueden hacer de varias maneras diferentes, como cambiar el dopaje del material semiconductor a medida que crece, depositando gránulos de metal para formar uniones de aleación, o mediante métodos tales como la difusión de sustancias dopantes de tipo n y tipo p en el cristal La previsibilidad y el rendimiento superiores de los transistores de unión desplazaron rápidamente al transistor original de punto de contacto . Los transistores difusos, junto con otros componentes, son elementos de circuitos integrados para funciones analógicas y digitales. Se pueden fabricar cientos de transistores de unión bipolar en un circuito a muy bajo costo.

Los circuitos integrados de transistores bipolares fueron los principales dispositivos activos de una generación de computadoras centrales y minicomputadoras, pero la mayoría de los sistemas informáticos ahora usan circuitos integrados que se basan en transistores de efecto de campo . Los transistores bipolares todavía se utilizan para la amplificación de señales, conmutación y circuitos digitales. Los tipos especializados se utilizan para interruptores de alto voltaje, para amplificadores de radiofrecuencia o para conmutar corrientes altas.

Convenciones de dirección actual

Por convención, la dirección de la corriente en los diagramas se muestra como la dirección en la que se movería una carga positiva. Esto se llama corriente convencional . Sin embargo, la corriente en muchos conductores metálicos se debe al flujo de electrones. Debido a que los electrones tienen una carga negativa, se mueven en la dirección opuesta a la corriente convencional. [a] Por otro lado, dentro de un transistor bipolar, las corrientes pueden estar compuestas tanto por huecos cargados positivamente como por electrones cargados negativamente. En este artículo, las flechas de corriente se muestran en la dirección convencional, pero las etiquetas para el movimiento de huecos y electrones muestran su dirección real dentro del transistor.

Dirección de la flecha

La flecha en el símbolo de los transistores bipolares indica la unión p-n entre la base y el emisor y apunta en la dirección en la que viaja la corriente convencional .

Función

Los BJT existen como tipos PNP y NPN, según los tipos de dopaje de las tres regiones terminales principales. Un transistor NPN consta de dos uniones de semiconductores que comparten una región delgada dopada con p, y un transistor PNP comprende dos uniones de semiconductores que comparten una región delgada dopada con n. Tipo N significa dopado con impurezas (como fósforo o arsénico) que proporcionan electrones móviles, mientras que tipo P significa dopado con impurezas (como boro) que proporcionan huecos que aceptan fácilmente electrones.

NPN BJT con unión B-E con polarización directa y unión B-C con polarización inversa

El flujo de carga en un BJT se debe a la difusión de los portadores de carga a través de una unión entre dos regiones de diferente concentración de portadores de carga. Las regiones de un BJT se denominan emisor , base y colector . [b] Un transistor discreto tiene tres conductores para la conexión a estas regiones. Por lo general, la región del emisor está fuertemente dopada en comparación con las otras dos capas, y el colector está menos dopado que la base (el dopado del colector suele ser diez veces más ligero que el dopado de la base [2] ). Por diseño, la mayor parte de la corriente del colector BJT se debe al flujo de portadores de carga (electrones o huecos) inyectados desde un emisor fuertemente dopado en la base donde se encuentran.portadores minoritarios que se difunden hacia el colector, por lo que los BJT se clasifican como dispositivos portadores minoritarios.

En una operación típica, la unión base-emisor tiene polarización directa , lo que significa que el lado dopado p de la unión tiene un potencial más positivo que el lado dopado n, y la unión base-colector está polarizada inversamente . Cuando se aplica una polarización directa a la unión base-emisor, se altera el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región de agotamiento del emisor dopado con n . Esto permite que los electrones excitados térmicamente (en una NPN; huecos en una PNP) se inyecten desde el emisor a la región base. Estos electrones se difundena través de la base desde la región de alta concentración cerca del emisor hacia la región de baja concentración cerca del colector. Los electrones en la base se llaman portadores minoritarios porque la base está dopada de tipo p, lo que hace que los agujeros sean el portador mayoritario en la base. En un dispositivo PNP, ocurre un comportamiento análogo, pero con agujeros como portadores de corriente dominantes.

Para minimizar la fracción de portadores que se recombinan antes de llegar a la unión colector-base, la región de la base del transistor debe ser lo suficientemente delgada para que los portadores puedan difundirse a través de ella en mucho menos tiempo que el tiempo de vida de los portadores minoritarios del semiconductor. Tener una base ligeramente dopada asegura que las tasas de recombinación sean bajas. En particular, el espesor de la base debe ser mucho menor que la longitud de difusión de los soportes. La unión colector-base tiene polarización inversa, por lo que se produce una inyección de portadores insignificante desde el colector a la base, pero los portadores que se inyectan en la base desde el emisor y se difunden para llegar a la región de agotamiento del colector-base, son barridos hacia la base. colector por el campo eléctrico en la región de empobrecimiento. La delgada compartidaEl dopaje base y colector-emisor asimétrico es lo que diferencia a un transistor bipolar de dos diodos separados conectados en serie.

Control de voltaje, corriente y carga

La corriente colector-emisor puede verse como controlada por la corriente base-emisor (control de corriente), o por el voltaje base-emisor (control de voltaje). Estas vistas están relacionadas por la relación corriente-voltaje de la unión base-emisor, que es la curva corriente-tensión exponencial habitual de una unión p-n (diodo). [3]

La explicación de la corriente de colector es el gradiente de concentración de portadores minoritarios en la región base. [3] [4] [5] Debido a la inyección de bajo nivel (en la que hay mucho menos portadores en exceso que los portadores mayoritarios normales), las tasas de transporte ambipolar (en las que el exceso de portadores mayoritarios y minoritarios fluyen a la misma velocidad) está en efecto determinado por el exceso de portadores minoritarios.

Los modelos detallados de transistores de acción de transistores, como el modelo Gummel-Poon , explican la distribución de esta carga explícitamente para explicar el comportamiento del transistor con mayor precisión. [6] La vista de control de carga maneja fácilmente los fototransistores , donde los portadores minoritarios en la región base se crean mediante la absorción de fotones , y maneja la dinámica del apagado o el tiempo de recuperación, que depende de la recombinación de la carga en la región base. Sin embargo, debido a que la carga base no es una señal visible en las terminales, las vistas de control de corriente y voltaje generalmente se usan en el diseño y análisis de circuitos.

En el diseño de circuitos analógicos , a veces se usa la vista de control de corriente porque es aproximadamente lineal. Es decir, la corriente del colector es aproximadamenteveces la corriente base. Algunos circuitos básicos pueden diseñarse suponiendo que el voltaje base-emisor es aproximadamente constante y que la corriente del colector es β veces la corriente base. Sin embargo, para diseñar circuitos BJT de producción de manera precisa y confiable, se requiere el modelo de control de voltaje (por ejemplo, Ebers-Moll ). [3] El modelo de control de voltaje requiere que se tenga en cuenta una función exponencial, pero cuando se linealiza de tal manera que el transistor se puede modelar como una transconductancia, como en el modelo de Ebers-Moll , se vuelve a diseñar para circuitos como amplificadores diferenciales. se convierte en un problema principalmente lineal, por lo que a menudo se prefiere la vista de control de voltaje. Para circuitos translineales, en el que la curva exponencial I-V es clave para la operación, los transistores generalmente se modelan como fuentes de corriente controladas por voltaje cuya transconductancia es proporcional a su corriente de colector. En general, el análisis de circuitos a nivel de transistores se realiza utilizando SPICE o un simulador de circuitos analógicos comparable, por lo que la complejidad del modelo matemático no suele preocupar mucho al diseñador, pero una vista simplificada de las características permite crear diseños siguiendo un proceso lógico. .

Retardo de encendido, apagado y almacenamiento

Los transistores bipolares, y en particular los transistores de potencia, tienen largos tiempos de almacenamiento de base cuando se saturan; el almacenamiento base limita el tiempo de apagado en el cambio de aplicaciones. Una pinza Baker puede evitar que el transistor se sature en gran medida, lo que reduce la cantidad de carga almacenada en la base y, por lo tanto, mejora el tiempo de conmutación.

Características del transistor: alfa ( α ) y beta ( β )

La proporción de portadores capaces de cruzar la base y llegar al colector es una medida de la eficiencia del BJT. El fuerte dopaje de la región del emisor y el ligero dopaje de la región de la base hacen que se inyecten muchos más electrones desde el emisor a la base que los agujeros que se inyectan desde la base al emisor. Una región base delgada y ligeramente dopada significa que la mayoría de los portadores minoritarios que se inyectan en la base se difundirán al colector y no se recombinarán.

La ganancia de corriente de emisor común está representada por β F o el parámetro h h FE ; es aproximadamente la relación entre la corriente del colector de CC y la corriente de base de CC en la región activa directa. Por lo general, es superior a 50 para transistores de pequeña señal, pero puede ser menor en transistores diseñados para aplicaciones de alta potencia. Tanto la eficiencia de inyección como la recombinación en la base reducen la ganancia de BJT.

Otra característica útil es la ganancia de corriente de base común , αF . La ganancia de corriente de base común es aproximadamente la ganancia de corriente del emisor al colector en la región activa directa. Esta relación suele tener un valor cercano a la unidad; entre 0,980 y 0,998. Es menor que la unidad debido a la recombinación de los portadores de carga cuando cruzan la región base.

Alfa y beta están relacionados por las siguientes identidades:

Beta es una figura de mérito conveniente para describir el desempeño de un transistor bipolar, pero no es una propiedad física fundamental del dispositivo. Los transistores bipolares pueden considerarse dispositivos controlados por voltaje (fundamentalmente la corriente del colector está controlada por el voltaje base-emisor; la corriente base podría considerarse un defecto y está controlada por las características de la unión base-emisor y la recombinación en la base). En muchos diseños, se supone que la beta es lo suficientemente alta como para que la corriente de base tenga un efecto insignificante en el circuito. En algunos circuitos (generalmente circuitos de conmutación), se suministra suficiente corriente de base para que incluso el valor beta más bajo que pueda tener un dispositivo en particular aún permita que fluya la corriente de colector requerida.

estructura

Sección transversal simplificada de un transistor de unión bipolar NPN planar

Un BJT consta de tres regiones de semiconductores dopadas de manera diferente: la región del emisor , la región de la base y la región del colector . Estas regiones son, respectivamente, tipo p , tipo n y tipo p en un transistor PNP, y tipo n , tipo p y tipo n en un transistor NPN. Cada región semiconductora está conectada a un terminal, debidamente etiquetado: emisor (E), base (B) y colector (C).

La base está ubicada físicamente entre el emisor y el colector y está hecha de material de alta resistividad ligeramente dopado. El colector rodea la región del emisor, lo que hace casi imposible que los electrones inyectados en la región de la base escapen sin ser recolectados, lo que hace que el valor resultante de α sea muy cercano a la unidad y, por lo tanto, le da al transistor un β grande. Una vista transversal de un BJT indica que la unión colector-base tiene un área mucho mayor que la unión emisor-base.

El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no suele ser un dispositivo simétrico. Esto significa que el intercambio del colector y el emisor hace que el transistor abandone el modo activo directo y comience a operar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor generalmente está optimizada para la operación en modo directo, el intercambio del colector y el emisor hace que los valores de α y β en la operación inversa sean mucho más pequeños que los de la operación directa; a menudo, el α del modo inverso es inferior a 0,5. La falta de simetría se debe principalmente a las proporciones de dopaje del emisor y el colector. El emisor está fuertemente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, lo que permite aplicar un voltaje de polarización inversa grande antes de que se rompa la unión colector-base. La unión colector-base tiene polarización inversa en funcionamiento normal. La razón por la que el emisor está fuertemente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección del emisor: la proporción de portadores inyectados por el emisor a los inyectados por la base. Para una alta ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión emisor-base deben provenir del emisor.

Muere de un transistor NPN 2N2222. Los cables de enlace se conectan a la base y al emisor.

Los transistores bipolares "laterales" de bajo rendimiento que a veces se usan en los procesos CMOS a veces se diseñan simétricamente, es decir, sin diferencia entre la operación hacia adelante y hacia atrás.

Pequeños cambios en el voltaje aplicado a través de los terminales base-emisor hacen que la corriente entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto se puede utilizar para amplificar el voltaje o la corriente de entrada. Los BJT pueden considerarse fuentes de corriente controladas por voltaje , pero se caracterizan más simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente o amplificadores de corriente debido a la baja impedancia en la base.

Los primeros transistores estaban hechos de germanio , pero la mayoría de los BJT modernos están hechos de silicio . Una minoría significativa ahora también está hecha de arseniuro de galio , especialmente para aplicaciones de muy alta velocidad (ver HBT, a continuación).

El transistor bipolar de heterounión (HBT) es una mejora del BJT que puede manejar señales de muy altas frecuencias hasta varios cientos de GHz . Es común en los circuitos ultrarrápidos modernos, en su mayoría sistemas de RF . [7] [8]

Símbolo para transistor bipolar NPN con dirección de flujo de corriente

Dos HBT de uso común son el arseniuro de galio de aluminio y silicio-germanio, aunque se puede usar una amplia variedad de semiconductores para la estructura HBT. Las estructuras HBT generalmente se cultivan mediante técnicas de epitaxia como MOCVD y MBE .

Regiones de operación


Tipo de unión

voltajes aplicados
Sesgo de unión Modo
SER ANTES DE CRISTO
PNP mi < segundo < do Delantero Reverso Reenviar activo
mi < si > do Delantero Delantero Saturación
E > B < C Reverso Reverso Cortar
E > B > C Reverso Delantero Inverso-activo
PNP mi < segundo < do Reverso Delantero Inverso-activo
mi < si > do Reverso Reverso Cortar
E > B < C Delantero Delantero Saturación
E > B > C Delantero Reverso Reenviar activo

Los transistores bipolares tienen cuatro regiones distintas de operación, definidas por polarizaciones de unión BJT.

Forward-active (o simplemente activo )
La unión base-emisor tiene polarización directa y la unión base-colector tiene polarización inversa. La mayoría de los transistores bipolares están diseñados para proporcionar la mayor ganancia de corriente de emisor común, βF , en el modo activo directo. Si este es el caso, la corriente colector-emisor es aproximadamente proporcional a la corriente base, pero muchas veces mayor, para pequeñas variaciones de corriente base.
Inversa-activa (o inversa-activa o invertida )
Al invertir las condiciones de polarización de la región activa directa, un transistor bipolar pasa al modo activo inverso. En este modo, las regiones del emisor y del colector intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT están diseñados para maximizar la ganancia de corriente en el modo activo directo, la β F en el modo invertido es varias veces menor (2 a 3 veces para el transistor de germanio común). Este modo de transistor rara vez se usa, generalmente se considera solo para condiciones de seguridad y algunos tipos de lógica bipolar . El voltaje de ruptura de polarización inversa a la base puede ser un orden de magnitud más bajo en esta región.
Saturación
Con ambas uniones polarizadas hacia adelante, un BJT está en modo de saturación y facilita la conducción de alta corriente desde el emisor al colector (o en la otra dirección en el caso de NPN, con portadores cargados negativamente que fluyen del emisor al colector). Este modo corresponde a un "encendido" lógico o un interruptor cerrado.
Cortar
En corte, están presentes condiciones de polarización opuestas a la saturación (ambas uniones polarizadas inversamente). Hay muy poca corriente, lo que corresponde a un "apagado" lógico o un interruptor abierto.
Región de ruptura de avalancha
Características de entrada
características de salida
Características de entrada y salida para un amplificador de transistor de silicio de base común.

Los modos de operación se pueden describir en términos de los voltajes aplicados (esta descripción se aplica a los transistores NPN; las polaridades se invierten para los transistores PNP):

Reenviar activo
Base más alta que el emisor, colector más alto que la base (en este modo, la corriente del colector es proporcional a la corriente de la base por).
Saturación
La base es más alta que el emisor, pero el colector no es más alto que la base.
Cortar
La base es más baja que el emisor, pero el colector es más alto que la base. Significa que el transistor no deja pasar la corriente convencional del colector al emisor.
Inverso-activo
Base más baja que el emisor, colector más bajo que la base: la corriente convencional inversa pasa por el transistor.

En términos de polarización de unión: (unión base-colector con polarización inversa significa V bc < 0 para NPN, opuesto para PNP)

Aunque estas regiones están bien definidas para un voltaje aplicado suficientemente grande, se superponen un poco para polarizaciones pequeñas (menos de unos pocos cientos de milivoltios). Por ejemplo, en la configuración típica de emisor conectado a tierra de un NPN BJT utilizado como interruptor desplegable en lógica digital, el estado "apagado" nunca involucra una unión con polarización inversa porque el voltaje base nunca pasa por debajo de la tierra; sin embargo, la polarización directa está lo suficientemente cerca de cero como para que esencialmente no fluya corriente, por lo que este extremo de la región activa directa puede considerarse como la región de corte.

Transistores en modo activo en circuitos

Estructura y uso del transistor NPN. Flecha según esquema.

El diagrama muestra una representación esquemática de un transistor NPN conectado a dos fuentes de voltaje. (La misma descripción se aplica a un transistor PNP con direcciones inversas de flujo de corriente y voltaje aplicado). Este voltaje aplicado hace que la unión P-N inferior se polarice directamente, lo que permite un flujo de electrones desde el emisor hacia la base. En modo activo, el campo eléctrico existente entre la base y el colector (causado por V CE ) hará que la mayoría de estos electrones crucen la unión P–N superior hacia el colector para formar la corriente de colector I C . El resto de los electrones se recombinan con huecos, la mayoría portadores en la base, generando una corriente a través de la conexión de la base para formar la corriente de base, I B. Como se muestra en el diagrama, la corriente del emisor, I E , es la corriente total del transistor, que es la suma de las otras corrientes terminales (es decir, I E  =  I B  +  I C ).

En el diagrama, las flechas que representan la corriente apuntan en la dirección de la corriente convencional  : el flujo de electrones está en la dirección opuesta a las flechas porque los electrones tienen carga eléctrica negativa . En el modo activo, la relación entre la corriente del colector y la corriente base se denomina ganancia de corriente CC . Esta ganancia suele ser de 100 o más, pero los diseños de circuitos robustos no dependen del valor exacto (por ejemplo, consulte el amplificador operacional ). El valor de esta ganancia para las señales de CC se denomina, y el valor de esta ganancia para señales pequeñas se denomina. Es decir, cuando ocurre un pequeño cambio en las corrientes y ha pasado suficiente tiempo para que la nueva condición alcance un estado estable.es la relación entre el cambio en la corriente del colector y el cambio en la corriente base. El símbolose usa para ambosy. [9]

La corriente del emisor está relacionada conexponencialmente A temperatura ambiente , un aumento deen aproximadamente 60 mV aumenta la corriente del emisor por un factor de 10. Debido a que la corriente base es aproximadamente proporcional a las corrientes del colector y del emisor, varían de la misma manera.

Historia

El transistor bipolar de punto de contacto fue inventado en diciembre de 1947 [10] en los Laboratorios Bell Telephone por John Bardeen y Walter Brattain bajo la dirección de William Shockley . La versión de unión conocida como transistor de unión bipolar (BJT), inventada por Shockley en 1948, [11] fue durante tres décadas el dispositivo de elección en el diseño de circuitos integrados y discretos . Hoy en día, el uso del BJT ha declinado a favor de la tecnología CMOS en el diseño de circuitos integrados digitales. Sin embargo, los BJT incidentales de bajo rendimiento inherentes a los circuitos integrados CMOS se utilizan a menudo comoreferencia de voltaje de banda prohibida, sensor de temperatura de banda prohibida de silicio y para manejar descargas electrostáticas .

Transistores de germanio

El transistor de germanio era más común en las décadas de 1950 y 1960, pero tiene una mayor tendencia a exhibir fugas térmicas .

Primeras técnicas de fabricación

Se desarrollaron varios métodos de fabricación de transistores bipolares. [12]

Teoría y modelado

Diagrama de bandas para transistor NPN en equilibrio
Diagrama de bandas para el transistor NPN en modo activo, que muestra la inyección de electrones desde el emisor a la base y su exceso en el colector

Los BJT se pueden considerar como dos diodos ( uniones P-N ) que comparten una región común a través de la cual pueden moverse los portadores minoritarios. Un PNP BJT funcionará como dos diodos que comparten una región de cátodo de tipo N, y el NPN como dos diodos que comparten una región de ánodo de tipo P. La conexión de dos diodos con cables no creará un BJT, ya que los portadores minoritarios no podrán pasar de una unión P-N a la otra a través del cable.

Ambos tipos de BJT funcionan al permitir que una pequeña entrada de corriente a la base controle una salida amplificada del colector. El resultado es que el BJT hace un buen cambio controlado por su entrada base. El BJT también es un buen amplificador, ya que puede multiplicar una señal de entrada débil hasta unas 100 veces su fuerza original. Las redes de BJT se utilizan para fabricar potentes amplificadores con muchas aplicaciones diferentes.

En la discusión a continuación, el enfoque está en el NPN BJT. En lo que se llama modo activo, el voltaje base-emisory voltaje colector-baseson positivos, polarizando directamente la unión base-emisor y polarizando inversamente la unión base-colector. En este modo, los electrones se inyectan desde la región del emisor de tipo n con polarización directa hacia la base de tipo p, donde se difunden como portadores minoritarios al colector de tipo n con polarización inversa y son arrastrados por el campo eléctrico en la base con polarización inversa. unión colector-base.

Para ver una ilustración de polarización directa e inversa, consulte diodos semiconductores .

Modelos de gran señal

En 1954, Jewell James Ebers y John L. Moll introdujeron su modelo matemático de corrientes de transistores: [26]

modelo de Ebers-Moll

Modelo de Ebers-Moll para un transistor NPN. [27] I B , I C e I E son las corrientes de base, colector y emisor; I CD e I ED son las corrientes del diodo colector y emisor; α F y α R son las ganancias de corriente de base común directa e inversa.
Modelo de Ebers-Moll para un transistor PNP
Modelo de Ebers-Moll aproximado para un transistor NPN en el modo activo directo. El diodo colector tiene polarización inversa, por lo que I CD es prácticamente cero. La mayor parte de la corriente del diodo emisor ( α F es casi 1) se extrae del colector, proporcionando la amplificación de la corriente base.

Las corrientes de emisor y colector de CC en modo activo están bien modeladas mediante una aproximación al modelo de Ebers-Moll:

La corriente interna de base es principalmente por difusión (ver ley de Fick ) y

dónde

  • es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a 300 K ≈ temperatura ambiente).
  • es la corriente del emisor
  • es la corriente del colector
  • es la ganancia de corriente directa de cortocircuito de base común (0,98 a 0,998)
  • es la corriente de saturación inversa del diodo base-emisor (del orden de 10 −15 a 10 −12 amperios)
  • es el voltaje base-emisor
  • es la constante de difusión de los electrones en la base tipo p
  • W es el ancho de la base

losy adelanteLos parámetros son los descritos anteriormente. un reversoa veces se incluye en el modelo.

Las ecuaciones de Ebers-Moll no aproximadas utilizadas para describir las tres corrientes en cualquier región operativa se dan a continuación. Estas ecuaciones se basan en el modelo de transporte de un transistor de unión bipolar. [28]

dónde

  • es la corriente del colector
  • es la corriente base
  • es la corriente del emisor
  • es la ganancia de corriente del emisor común directo (20 a 500)
  • es la ganancia de corriente del emisor común inverso (0 a 20)
  • es la corriente de saturación inversa (del orden de 10 −15 a 10 −12 amperios)
  • es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a 300 K ≈ temperatura ambiente).
  • es el voltaje base-emisor
  • es el voltaje base-colector
Modulación de ancho de base
Arriba: ancho de base NPN para polarización inversa de base de colector baja; Abajo: ancho de base NPN más angosto para polarización inversa de base de colector grande. Las regiones hash son regiones agotadas .

Como el voltaje colector-base () varía, la región de agotamiento de la base del colector varía en tamaño. Un aumento en el voltaje colector-base, por ejemplo, provoca una mayor polarización inversa en la unión colector-base, aumentando el ancho de la región de agotamiento del colector-base y disminuyendo el ancho de la base. Esta variación en el ancho de la base a menudo se denomina efecto Early en honor a su descubridor James M. Early .

El estrechamiento del ancho de la base tiene dos consecuencias:

  • Hay una menor posibilidad de recombinación dentro de la región base "más pequeña".
  • El gradiente de carga aumenta a través de la base y, en consecuencia, aumenta la corriente de los portadores minoritarios inyectados a través de la unión del emisor.

Ambos factores aumentan el colector o la corriente de "salida" del transistor en respuesta a un aumento en el voltaje colector-base.

En la región activa directa , el efecto Temprano modifica la corriente del colector () y la ganancia de corriente del emisor común directo () dado por: [ cita requerida ]

dónde:

  • es el voltaje colector-emisor
  • es el voltaje temprano (15 V a 150 V)
  • es la ganancia de corriente directa de emisor común cuando= 0 V
  • es la impedancia de salida
  • es la corriente del colector
Perforación

Cuando el voltaje del colector base alcanza un cierto valor (específico del dispositivo), el límite de la región de agotamiento del colector base se encuentra con el límite de la región de agotamiento del emisor base. Cuando está en este estado, el transistor efectivamente no tiene base. Por lo tanto, el dispositivo pierde toda ganancia cuando se encuentra en este estado.

Modelo de control de carga Gummel-Poon

El modelo Gummel-Poon [29] es un modelo detallado controlado por carga de la dinámica BJT, que ha sido adoptado y elaborado por otros para explicar la dinámica del transistor con mayor detalle que los modelos basados ​​en terminales. [30] Este modelo también incluye la dependencia del transistor-valores sobre los niveles de corriente continua en el transistor, que se suponen independientes de la corriente en el modelo de Ebers-Moll. [31]

Modelos de pequeña señal

Modelo híbrido-pi

Modelo híbrido-pi

El modelo híbrido-pi es un modelo de circuito popular que se utiliza para analizar la señal pequeña y el comportamiento de CA de los transistores de unión bipolar y de efecto de campo . A veces también se le llama modelo de Giacoletto porque fue presentado por LJ Giacoletto en 1969. El modelo puede ser bastante preciso para circuitos de baja frecuencia y se puede adaptar fácilmente para circuitos de alta frecuencia con la adición de capacitancias entre electrodos apropiadas y otras capacitancias parásitas . elementos.

modelo de parámetro h

Modelo generalizado de parámetros h de un NPN BJT.
Reemplace x con e , b o c para topologías CE, CB y CC respectivamente.

Otro modelo comúnmente utilizado para analizar circuitos BJT es el modelo de parámetro h , también conocido como modelo híbrido equivalente, estrechamente relacionado con el modelo híbrido-pi y el parámetro y de dos puertos , pero utilizando la corriente de entrada y el voltaje de salida como variables independientes. , en lugar de voltajes de entrada y salida. Esta red de dos puertos es especialmente adecuada para los BJT, ya que se presta fácilmente al análisis del comportamiento del circuito y puede utilizarse para desarrollar modelos más precisos. Como se muestra, el término, x , en el modelo representa un cable BJT diferente según la topología utilizada. Para el modo de emisor común, los diversos símbolos toman los valores específicos como:

  • Terminal 1, base
  • Terminal 2, colector
  • Terminal 3 (común), emisor; dando x para ser e
  • i i , corriente base ( i b )
  • i o , corriente de colector ( i c )
  • V en , voltaje de base a emisor ( V BE )
  • V o , voltaje de colector a emisor ( V CE )

y los parámetros h vienen dados por:

  • h ix = h ie para la configuración de emisor común, la impedancia de entrada del transistor (correspondiente a la resistencia base r pi ) .
  • h rx = h re , una relación de transferencia inversa, representa la dependencia de la curva I B V BE del transistor (entrada) en el valor de (salida) V CE . Por lo general, es muy pequeño y, a menudo, se desprecia (se supone que es cero) en DC.
  • h fx = h fe , la ganancia de corriente "directa" del transistor, a veces escrita como h 21 . Este parámetro, con "fe" en minúsculas para indicar una ganancia de señal pequeña (CA), o más a menudo con letras mayúsculas para "FE" (especificado como h FE ) para indicar la "señal grande" o la ganancia de corriente de CC ( β DC o a menudo simplemente β ), es uno de los parámetros principales en las hojas de datos, y puede proporcionarse para una corriente y voltaje de colector típicos o representarse como una función de la corriente de colector. Vea abajo.
  • h ox = 1/ h oe , la impedancia de salida del transistor. El parámetro h oe suele corresponder a la admitancia de salida del transistor bipolar y debe invertirse para convertirlo en una impedancia.

Como se muestra, los parámetros h tienen subíndices en minúsculas y, por lo tanto, significan condiciones o análisis de CA. Para condiciones de CC, se especifican en mayúsculas. Para la topología CE, se suele utilizar un modelo de parámetro h aproximado que simplifica aún más el análisis del circuito. Para ello se desprecian los parámetros h oe y h re (es decir, se fijan en infinito y cero, respectivamente). El modelo de parámetro h que se muestra es adecuado para el análisis de señales pequeñas y de baja frecuencia. Para análisis de alta frecuencia, se deben sumar las capacitancias entre electrodos que son importantes a altas frecuencias.

Etimología de h FE

La h se refiere a que es un parámetro h, un conjunto de parámetros nombrados por su origen en un modelo de circuito híbrido equivalente (ver arriba). Como con todos los parámetros h, la elección de minúsculas o mayúsculas para las letras que siguen a la "h" es significativa; minúsculas significa parámetros de "pequeña señal", es decir, la pendiente de la relación particular; las letras mayúsculas implican "señal grande" o valores de CC , la relación de los voltajes o corrientes. En el caso de la muy utilizada h FE :

  • F es de la amplificación de corriente directa , también llamada ganancia de corriente.
  • E se refiere al transistor que opera en una configuración de emisor común ( CE).

Entonces h FE (o hFE) se refiere a la corriente del colector (CC total) dividida por la corriente base, y no tiene dimensiones. Es un parámetro que varía algo con la corriente del colector, pero a menudo se aproxima como una constante; normalmente se especifica en una corriente y voltaje de colector típicos, o se grafica como una función de la corriente de colector.

Si no se hubieran utilizado letras mayúsculas en el subíndice, es decir, si se hubiera escrito h fe , el parámetro indica ganancia de corriente de señal pequeña ( CA ), es decir, la pendiente del gráfico de corriente de colector versus corriente de base en un punto dado, que a menudo está cerca al valor hFE a menos que la frecuencia de prueba sea alta.

Modelos de la industria

El modelo Gummel-Poon SPICE se usa a menudo, pero tiene varias limitaciones. Por ejemplo, el modelo SGP (SPICE Gummel-Poon) no captura la descomposición inversa del diodo base-emisor, ni tampoco los efectos térmicos (autocalentamiento) o cuasi-saturación. [32] Estos se han abordado en varios modelos más avanzados que se centran en casos específicos de aplicación (Mextram, HICUM, Modella) o están diseñados para uso universal (VBIC). [33] [34] [35] [36]

Aplicaciones

El BJT sigue siendo un dispositivo que sobresale en algunas aplicaciones, como el diseño de circuitos discretos, debido a la amplia selección de tipos de BJT disponibles y debido a su alta transconductancia y resistencia de salida en comparación con los MOSFET .

El BJT también es la opción para circuitos analógicos exigentes, especialmente para aplicaciones de muy alta frecuencia , como circuitos de radiofrecuencia para sistemas inalámbricos.

Lógica digital de alta velocidad

La lógica acoplada al emisor (ECL) utiliza BJT.

Los transistores bipolares se pueden combinar con MOSFET en un circuito integrado mediante el uso de un proceso BiCMOS de fabricación de obleas para crear circuitos que aprovechen las ventajas de las aplicaciones de ambos tipos de transistores.

Amplificadores

Los parámetros del transistor α y β caracterizan la ganancia actual del BJT. Es esta ganancia la que permite que los BJT se utilicen como componentes básicos de amplificadores electrónicos. Las tres principales topologías de amplificadores BJT son:

Sensores de temperatura

Debido a la dependencia conocida de la temperatura y la corriente del voltaje de la unión base-emisor con polarización directa, el BJT se puede usar para medir la temperatura restando dos voltajes a dos corrientes de polarización diferentes en una relación conocida. [37]

Convertidores logarítmicos

Debido a que el voltaje base-emisor varía como el logaritmo de las corrientes base-emisor y colector-emisor, también se puede usar un BJT para calcular logaritmos y antilogaritmos. Un diodo también puede realizar estas funciones no lineales, pero el transistor proporciona más flexibilidad al circuito.

Generadores de pulsos de avalancha

Los transistores pueden fabricarse deliberadamente con un voltaje de ruptura de colector a emisor más bajo que el voltaje de ruptura de colector a base. Si la unión base-emisor tiene polarización inversa, el voltaje colector-emisor puede mantenerse a un voltaje justo por debajo de la ruptura. Tan pronto como se permite que aumente el voltaje de la base y la corriente fluye, se produce una avalancha y la ionización por impacto en la región de agotamiento de la base del colector inunda rápidamente la base con portadores y enciende completamente el transistor. Siempre que los pulsos sean lo suficientemente cortos y poco frecuentes como para que el dispositivo no se dañe, este efecto se puede usar para crear bordes descendentes muy agudos.

Se fabrican dispositivos especiales de transistores de avalancha para esta aplicación.

Vulnerabilidades

La exposición del transistor a la radiación ionizante provoca daños por radiación . La radiación provoca una acumulación de "defectos" en la región base que actúan como centros de recombinación . La reducción resultante en la vida útil de la portadora minoritaria provoca una pérdida gradual de ganancia del transistor.

Los transistores tienen "clasificaciones máximas", incluidas las clasificaciones de potencia (esencialmente limitadas por el autocalentamiento), las corrientes máximas de colector y base (tanto clasificaciones continuas/CC como pico) y clasificaciones de voltaje de ruptura , más allá de las cuales el dispositivo puede fallar o al menos funcionar mal. .

Además de las clasificaciones normales de ruptura del dispositivo, los BJT de potencia están sujetos a un modo de falla llamado ruptura secundaria , en el que la corriente excesiva y las imperfecciones normales en la matriz de silicio hacen que partes del silicio dentro del dispositivo se calienten desproporcionadamente más que las demás. La resistividad eléctrica del silicio dopado, como otros semiconductores, tiene un coeficiente de temperatura negativo , lo que significa que conduce más corriente a temperaturas más altas. Por lo tanto, la parte más caliente de la matriz conduce la mayor parte de la corriente, lo que hace que aumente su conductividad, lo que hace que vuelva a calentarse progresivamente, hasta que el dispositivo falla internamente. La fuga termalEl proceso asociado con la ruptura secundaria, una vez activado, ocurre casi instantáneamente y puede dañar catastróficamente el paquete del transistor.

Si la unión emisor-base tiene polarización inversa en modo avalancha o Zener y la carga fluye durante un período corto de tiempo, la ganancia de corriente del BJT puede degradarse permanentemente, ya que el emisor es más pequeño que el colector y no puede disipar una potencia significativa. Este es un mecanismo común de falla de ESD en dispositivos de bajo voltaje.

Véase también

Notas

  1. ^ Algunos metales, como el aluminio , tienen bandas de agujeros significativas. [1]
  2. ^ Consulte transistor de contacto puntual para conocer el origen histórico de estos nombres.

Referencias

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Enlaces externos