Transistor de avalancha

Un transistor de avalancha es un transistor de unión bipolar diseñado para funcionar en la región de sus características de voltaje de colector a emisor/corriente de colector más allá del voltaje de ruptura de colector a emisor , llamada región de ruptura de avalancha . Esta región se caracteriza por la descomposición de avalanchas, que es un fenómeno similar a la descarga de gases de Townsend, y por una resistencia diferencial negativa . La operación en la región de ruptura de avalancha se denomina operación en modo de avalancha : brinda a los transistores de avalancha la capacidad de conmutar corrientes muy altas con tiempos de subida y bajada de menos de un nanosegundo ( tiempos de transición ). Los transistores que no están diseñados específicamente para este propósito pueden tener propiedades de avalancha razonablemente consistentes; por ejemplo, el 82% de las muestras del interruptor de alta velocidad de 15 V 2N2369, fabricado durante un período de 12 años, fueron capaces de generar pulsos de ruptura de avalancha con un tiempo de subida de 350 ps o menos, utilizando una fuente de alimentación de 90 V, como escribe Jim Williams . ^{[1] [2]}

Historia

El primer artículo que trató sobre los transistores de avalancha fue el de Ebers y Miller (1955). El artículo describe cómo utilizar transistores de unión de aleación en la región de ruptura de avalancha para superar las limitaciones de velocidad y voltaje de ruptura que afectaron a los primeros modelos de este tipo de transistores cuando se usaban en circuitos digitales de computadora anteriores . Por lo tanto, las primeras aplicaciones de los transistores de avalancha fueron en circuitos de conmutación y multivibradores . La introducción del transistor de avalancha sirvió también como aplicación de la fórmula empírica de Miller para el coeficiente de multiplicación de avalancha , introducida por primera vez en el artículo Miller (1955). La necesidad de comprender mejor el comportamiento de los transistores en la región de ruptura de avalancha, no sólo para su uso en modo de avalancha, dio lugar a una extensa investigación sobre la ionización por impacto en semiconductores (ver Kennedy y O'Brien (1966)). ${\displaystyle M}$

Desde principios de los años 1960 hasta la primera mitad de los años 1970, se propusieron varios circuitos de transistores de avalancha. Se estudió el tipo de transistor de unión bipolar más adecuado para su uso en la región de ruptura de avalanchas. Una referencia completa, que incluye también las contribuciones de científicos de los países de la ex URSS y del COMECON , es el libro de Дьяконов (Dyakonov) (1973).

La primera aplicación del transistor de avalancha como amplificador lineal , denominada Triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlado (CATT), se describió en (Eshbach, Se Puan y Tantraporn 1976). Un dispositivo similar, llamado IMPISTOR, fue descrito más o menos en el mismo período en el artículo de Carrol y Winstanley (1974). Las aplicaciones lineales de esta clase de dispositivos comenzaron más tarde ya que existen algunos requisitos que cumplir, como se describe a continuación. El uso de transistores de avalancha en esas aplicaciones no es común ya que los dispositivos requieren altos voltajes de colector a emisor para funcionar correctamente.

Hoy en día, todavía se investigan activamente los dispositivos de avalancha ( transistores u otros) hechos de semiconductores compuestos , capaces de conmutar corrientes de varias decenas de amperios incluso más rápido que los transistores de avalancha "tradicionales".

Teoría básica

Características de la región de avalancha estática

Corrientes y voltajes de polarización para un transistor bipolar NPN.

En esta sección se calcula la característica estática de un transistor de avalancha. En aras de la simplicidad, solo se considera un dispositivo NPN: sin embargo, los mismos resultados son válidos para dispositivos PNP solo cambiando los signos a voltajes y corrientes en consecuencia. El análisis sigue de cerca el de William D. Roehr en (Roehr 1963). Dado que la multiplicación de la ruptura por avalancha está presente solo a través de la unión colector-base, el primer paso del cálculo es determinar la corriente del colector como una suma de varias corrientes componentes a través del colector, ya que solo esos flujos de carga están sujetos a este fenómeno. La ley de corriente de Kirchhoff aplicada a un transistor de unión bipolar implica la siguiente relación, siempre satisfecha por la corriente del colector ${\displaystyle I_{C}-V_{CE}}$ ${\displaystyle I_{C}}$

${\displaystyle I_{C}=I_{E}-I_{B}\,}$

mientras que para el mismo dispositivo que funciona en la región activa , la teoría básica del transistor da la siguiente relación

${\displaystyle I_{C}=\beta I_{B}+(\beta +1)I_{CBO}\,}$

dónde

• ${\displaystyle I_{B}}$es la corriente base,
• ${\displaystyle I_{CBO}}$es la corriente de fuga inversa de la base del colector,
• ${\displaystyle I_{E}}$es la corriente del emisor,
• ${\displaystyle \beta }$es la ganancia de corriente del emisor común del transistor.

Al equiparar las dos fórmulas se obtiene el siguiente resultado ${\displaystyle I_{C}}$

${\displaystyle I_{E}=(\beta +1)I_{B}+(\beta +1)I_{CBO}\,}$

y dado que es la ganancia de corriente de base común del transistor, entonces ${\displaystyle \alpha =\beta {(\beta +1)^{-1}}}$

${\displaystyle \alpha I_{E}=\beta I_{B}+\beta I_{CBO}=I_{C}-I_{CBO}\iff I_{C}=\alpha I_{E}+I_{CBO}}$

Cuando se consideran los efectos de avalancha en un colector de transistores, la corriente del colector viene dada por ${\displaystyle I_{C}}$

${\displaystyle I_{C}=M(\alpha I_{E}+I_{CBO})\,}$

¿Dónde está el coeficiente de multiplicación de avalanchas de Miller? Es el parámetro más importante en el funcionamiento en modo avalancha: su expresión es la siguiente ${\displaystyle M}$

${\displaystyle M={\frac {1}{1-\left({\frac {V_{CB}}{BV_{CBO}}}\right)^{n}}}\,}$

dónde

• ${\displaystyle BV_{CBO}}$es el voltaje de ruptura colector-base,
• ${\displaystyle n}$es una constante que depende del semiconductor utilizado para la construcción del transistor y del perfil de dopaje de la unión colector-base,
• ${\displaystyle V_{CB}}$es el voltaje colector-base.

Usando nuevamente la ley de corrientes de Kirchhoff para el transistor de unión bipolar y la expresión dada para , la expresión resultante para es la siguiente ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle I_{C}}$

${\displaystyle I_{C}={\frac {M}{1-\alpha M}}(I_{CBO}+\alpha I_{B})\iff I_{C}={\frac {I_{CBO}+\alpha I_{B}}{1-\alpha -\left({\frac {V_{CB}}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}}}}$

y recordando eso y dónde está el voltaje base-emisor ${\displaystyle V_{CB}=V_{CE}-V_{BE}}$ ${\displaystyle V_{BE}=V_{BE}(I_{B})}$ ${\displaystyle V_{BE}}$

${\displaystyle I_{C}={\frac {I_{CBO}+\alpha I_{B}}{1-\alpha -\left({\frac {V_{CE}-V_{BE}(I_{B})}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}}}\cong {\frac {I_{CBO}+\alpha I_{B}}{1-\alpha -\left({\frac {V_{CE}}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}}}}$

ya que : esta es la expresión de la familia paramétrica de las características del colector con parámetro . Tenga en cuenta que aumenta sin límite si ${\displaystyle V_{CE}>>V_{BE}}$ ${\displaystyle I_{C}-V_{CE}}$ ${\displaystyle I_{B}}$ ${\displaystyle I_{C}}$

${\displaystyle \left({\frac {V_{CE}}{BV_{CBO}}}\right)^{\!n}=1-\alpha \iff V_{CE}=BV_{CEO}={\sqrt[{n}]{(1-\alpha )}}BV_{CBO}={\frac {BV_{CBO}}{\sqrt[{n}]{\beta +1}}}}$

¿Dónde está el voltaje de ruptura colector-emisor? Además, es posible expresar en función de y obtener una fórmula analítica para la resistencia diferencial colector-emisor mediante diferenciación sencilla : sin embargo, los detalles no se dan aquí. ${\displaystyle BV_{CEO}}$ ${\displaystyle V_{CE}}$ ${\displaystyle I_{C}}$

Modelo dinámico diferencial

Circuito equivalente de un transistor bipolar npn de avalancha operado por una red de polarización de uso común.

El modo dinámico diferencial descrito aquí, también llamado modelo de pequeña señal , es el único modelo intrínseco de pequeña señal del transistor de avalancha. Los elementos perdidos debidos al paquete que encierra el transistor se ignoran deliberadamente, ya que su análisis no agregaría nada útil desde el punto de vista del principio de funcionamiento del transistor de avalancha. Sin embargo, a la hora de realizar un circuito electrónico , esos parámetros son de gran importancia. En particular, las inductancias parásitas en serie con los conductores del colector y del emisor deben minimizarse para preservar el rendimiento de alta velocidad de los circuitos de transistores de avalancha. Además, este circuito equivalente es útil para describir el comportamiento del transistor de avalancha cerca de su tiempo de encendido, donde las corrientes y tensiones del colector todavía están cerca de sus valores de reposo : en el circuito real permite calcular las constantes de tiempo y, por tanto, los tiempos de subida y bajada. de la forma de onda. Sin embargo, dado que los circuitos de conmutación de transistores de avalancha son circuitos de señales intrínsecamente grandes, la única forma de predecir con una precisión razonable su comportamiento real es realizar simulaciones numéricas . Nuevamente, el análisis sigue de cerca el de William D. Roehr en (Roehr 1963). ${\displaystyle V_{CE}}$

En la imagen adyacente se muestra un transistor de avalancha operado por una red de polarización común : puede tener un valor cero o positivo, mientras que puede estar en cortocircuito . En cada circuito de transistor de avalancha, la señal de salida se toma del colector o del emisor: por lo tanto, el modelo diferencial de pequeña señal de un transistor de avalancha que funciona en la región de avalancha siempre se ve desde los pines de salida del colector-emisor y consiste en un paralelo circuito como se muestra en la imagen adyacente, que incluye solo componentes de polarización. La magnitud y el signo de ambos parámetros están controlados por la corriente de base : dado que tanto las uniones base-colector como las uniones base-emisor están polarizadas inversamente en el estado de reposo, el circuito equivalente de la entrada de la base es simplemente un generador de corriente desviado por la base-emisor. y capacitancias de unión base-colector y, por lo tanto, no se analiza a continuación. La constante de tiempo intrínseca del circuito de pequeña señal equivalente básico tiene el siguiente valor ${\displaystyle V_{BB}}$ ${\displaystyle R_{E}}$ ${\displaystyle RC}$ ${\displaystyle I_{B}}$

${\displaystyle \tau _{Ace}=r_{Ace}C_{Ace}\,}$

dónde

• ${\displaystyle r_{Ace}}$es la resistencia diferencial de avalancha colector-emisor y, como se indicó anteriormente, se puede obtener diferenciando la tensión colector-emisor con respecto a la corriente del colector , para una corriente de base constante ${\displaystyle V_{CE}}$ ${\displaystyle I_{C}}$ ${\displaystyle I_{B}}$

${\displaystyle r_{Ace}={\frac {\partial {V_{CE}}}{\partial {I_{C}}}}{\Bigg |}_{I_{B}=const.}}$

• ${\displaystyle C_{Ace}}$es la capacitancia diferencial de avalancha colector-emisor y tiene la siguiente expresión

${\displaystyle C_{Ace}=-\left({\frac {1}{r_{Ace}\omega _{\beta }}}-C_{ob}\right)}$

dónde

${\displaystyle \omega _{\beta }=2\pi f_{\beta }}$es la frecuencia de corte angular de ganancia actual

${\displaystyle C_{ob}}$es la capacitancia de salida de base común

Los dos parámetros son ambos negativos. Esto significa que si la carga del colector es una fuente de corriente ideal , el circuito es inestable. Ésta es la justificación teórica del comportamiento multivibrador astable del circuito cuando el voltaje se eleva por encima de algún nivel crítico. ${\displaystyle V_{CC}}$

Segundo modo de avalancha de avería

Cuando la corriente del colector supera el límite de la hoja de datos, se vuelve importante un nuevo mecanismo de ruptura: la segunda ruptura . Este fenómeno es causado por el calentamiento excesivo de algunos puntos ( puntos calientes ) en la región base-emisor del transistor de unión bipolar , lo que da lugar a una corriente que aumenta exponencialmente a través de estos puntos: este aumento exponencial de corriente a su vez da lugar a aún más sobrecalentamiento, originando un mecanismo de retroalimentación térmica positiva . Al analizar la característica estática, la presencia de este fenómeno se ve como una fuerte caída de voltaje del colector y un correspondiente aumento casi vertical de la corriente del colector. Actualmente no es posible producir un transistor sin puntos calientes y, por tanto, sin una segunda avería, ya que su presencia está relacionada con la tecnología de refinamiento del silicio . Durante este proceso, cantidades muy pequeñas pero finitas de metales permanecen en porciones localizadas de la oblea : estas partículas de metales se convierten en centros profundos de recombinación , es decir, centros donde la corriente existe de manera preferida. Si bien este fenómeno es destructivo para los transistores de unión bipolar que funcionan de la forma habitual, se puede utilizar para aumentar aún más los límites de corriente y voltaje de un dispositivo que funciona en modo avalancha limitando su duración de tiempo: además, la velocidad de conmutación del dispositivo. no se ve afectado negativamente. En el artículo de Baker (1991) se puede encontrar una descripción clara de los circuitos de transistores de avalancha que funcionan en un segundo régimen de ruptura, junto con algunos ejemplos. ${\displaystyle I_{CMAX}}$ ${\displaystyle I_{C}-V_{CE}}$

Simulaciones numéricas

Los circuitos de transistores de avalancha son circuitos de señales intrínsecamente grandes, por lo que los modelos de señales pequeñas , cuando se aplican a dichos circuitos, sólo pueden dar una descripción cualitativa. Para obtener información más precisa sobre el comportamiento de las tensiones y corrientes dependientes del tiempo en dichos circuitos es necesario utilizar el análisis numérico . El enfoque "clásico", detallado en el artículo Дьяконов (Dyakonov) (2004b) que se basa en el libro Дьяконов (Dyakonov) (1973), consiste en considerar los circuitos como un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales y resolverlo mediante un método numérico. implementado mediante un software de simulación numérica de propósito general : los resultados obtenidos de esta manera son bastante precisos y fáciles de obtener. Sin embargo, estos métodos se basan en el uso de modelos analíticos de transistores más adecuados para el análisis de la región de ruptura: esos modelos no son necesariamente adecuados para describir el dispositivo que funciona en todas las regiones posibles. Un enfoque más moderno es utilizar el simulador de circuito analógico común SPICE junto con un modelo de transistor avanzado que admita simulaciones de avería de avalanchas, algo que el modelo de transistor SPICE básico no admite. Se describen ejemplos de tales modelos en el artículo Keshavarz, Raney y Campbell (1993) y en el artículo Kloosterman y De Graaff (1989): este último es una descripción del modelo Mextram[1], utilizado actualmente por algunas industrias de semiconductores para caracterizar sus transistores de unión bipolar .

Un método gráfico

En las referencias Spirito (1968) y Spirito (1971) se propuso un método gráfico para estudiar el comportamiento de un transistor de avalancha: el método se derivó primero para trazar el comportamiento estático del dispositivo y luego se aplicó también para resolver problemas relacionados con el comportamiento dinámico. El método lleva el espíritu de los métodos gráficos utilizados para diseñar circuitos de válvulas y transistores directamente a partir de los diagramas característicos proporcionados en las hojas de datos de los fabricantes.

Aplicaciones

Los transistores de avalancha se utilizan principalmente como generadores de impulsos rápidos , con tiempos de subida y bajada inferiores a un nanosegundo y una tensión y corriente de salida elevadas . Ocasionalmente se utilizan como amplificadores en el rango de frecuencia de microondas , incluso si este uso no es común: cuando se usan para este propósito, se denominan "triodos de tiempo de tránsito de avalancha controlados" ( CATT ).

Circuitos de conmutación del modo de avalancha

El cambio de modo de avalancha se basa en la multiplicación de avalancha de la corriente que fluye a través de la unión colector-base como resultado de la ionización por impacto de los átomos en la red cristalina del semiconductor. La rotura por avalancha en semiconductores ha encontrado aplicación en circuitos de conmutación por dos razones básicas

• puede proporcionar velocidades de conmutación muy altas, ya que la corriente se acumula en tiempos muy pequeños, en el rango de picosegundos, debido a la multiplicación de avalanchas.
• Puede proporcionar corrientes de salida muy altas, ya que corrientes grandes pueden ser controladas por corrientes muy pequeñas, nuevamente debido a la multiplicación de avalanchas.

Los dos circuitos considerados en esta sección son los ejemplos más simples de circuitos de transistores de avalancha con fines de conmutación: ambos ejemplos detallados son multivibradores monoestables . Hay varios circuitos más complejos en la literatura, por ejemplo en los libros Roehr (1963) y Дьяконов (Dyakonov) (1973).

La mayoría de los circuitos que emplean un transistor de avalancha se activan mediante los dos tipos diferentes de entrada siguientes:

Circuito disparador de colector simplificado de un transistor bipolar npn de avalancha operado por una red de polarización de uso común.

Circuito de activación de base simplificado de un transistor bipolar npn de avalancha operado por una red de polarización de uso común.

• Circuito de entrada de activación del colector: la señal de activación de entrada se envía al colector a través de un diodo de conmutación rápida , posiblemente después de haber sido moldeada por una red de conformación de pulsos . Esta forma de controlar un transistor de avalancha se empleó ampliamente en circuitos de primera generación, ya que el nodo colector tiene una alta impedancia y además la capacitancia del colector se comporta de manera bastante lineal bajo un régimen de señal grande. Como consecuencia de esto, el tiempo de retardo desde la entrada hasta la salida es muy pequeño y aproximadamente independiente del valor del voltaje de control . Sin embargo, este circuito de activación requiere un diodo capaz de resistir altos voltajes inversos y conmutar muy rápido, características que son muy difíciles de realizar en el mismo diodo , por lo que rara vez se ve en los circuitos modernos de transistores de avalancha. ${\displaystyle D_{S}}$ ${\displaystyle C_{ob}}$
• Circuito de entrada de activación de base: la señal de activación de entrada se alimenta directamente a la base a través de un diodo de conmutación rápida , posiblemente después de haber sido moldeada por una red de conformación de pulsos. Esta forma de controlar un transistor de avalancha se utilizó relativamente menos en los circuitos de primera generación porque el nodo base tiene una impedancia relativamente baja y una capacitancia de entrada que es altamente no lineal (de hecho, es exponencial) bajo el régimen de señal grande: esta provoca un tiempo de retardo bastante grande, dependiente del voltaje de entrada, que fue analizado en detalle en el artículo Spirito (1974). Sin embargo, el voltaje inverso requerido para el diodo de alimentación es mucho menor que el de los diodos que se utilizan en los circuitos de entrada del disparador del colector, y dado que los diodos Schottky ultrarrápidos se encuentran fácil y económicamente, este es el circuito controlador empleado en la mayoría de los circuitos de transistores de avalancha modernos. Esta es también la razón por la cual el diodo en los siguientes circuitos aplicativos se simboliza como diodo Schottky. ${\displaystyle D_{S}}$ ${\displaystyle C_{ib}}$ ${\displaystyle D_{S}}$

El transistor de avalancha también se puede activar reduciendo el voltaje del emisor , pero esta configuración rara vez se ve en la literatura y en los circuitos prácticos: en la referencia Meiling & Stary (1968), párrafo 3.2.4 "Circuitos de disparo", se describe una de esas configuraciones. donde el transistor de avalancha se utiliza como parte del circuito de activación de un generador de impulsos complejo, mientras que en la referencia Дьяконов (Dyakonov) (1973, págs. 185) se utiliza un discriminador de nivel equilibrado donde un transistor de unión bipolar común está acoplado por emisor a una avalancha. El transistor se describe brevemente. ${\displaystyle V_{E}}$

Los dos pulsadores de avalancha que se describen a continuación se activan por base y tienen dos salidas. Dado que el dispositivo utilizado es un transistor NPN, es una salida positiva mientras que es una salida negativa: el uso de un transistor PNP invierte las polaridades de las salidas. La descripción de sus versiones simplificadas, donde la resistencia o se establece en cero ohmios (obviamente no ambos) para tener una única salida, se puede encontrar en la referencia Millman y Taub (1965). La resistencia recarga el condensador o la línea de transmisión (es decir, los componentes de almacenamiento de energía) después de la conmutación. Suele tener una alta resistencia para limitar la corriente estática del colector, por lo que el proceso de recarga es lento. En ocasiones, esta resistencia se sustituye por un circuito electrónico que es capaz de cargar más rápidamente los componentes de almacenamiento de energía. ${\displaystyle V_{out1}}$ ${\displaystyle V_{out2}}$ ${\displaystyle R_{E}}$ ${\displaystyle R_{L}}$ ${\displaystyle R_{C}}$ ${\displaystyle C_{T}}$ ${\displaystyle \scriptstyle TL_{t_{f}}}$

• Pulsador de avalancha de descarga de condensador: una señal de disparo aplicada al cable de base del transistor de avalancha provoca la ruptura de avalancha entre el cable del colector y del emisor. El condensador comienza a descargarse mediante una corriente que fluye a través de las resistencias y : los voltajes a través de esas resistencias son los voltajes de salida. La forma de onda de la corriente no es una simple corriente de descarga RC , sino que tiene un comportamiento complejo que depende del mecanismo de avalancha: sin embargo, tiene un tiempo de subida muy rápido, del orden de fracciones de nanosegundo. La corriente máxima depende del tamaño del condensador : cuando su valor aumenta por encima de unos pocos cientos de picofaradios, el transistor entra en modo de segunda avalancha de ruptura y las corrientes máximas alcanzan valores de varios amperios. ${\displaystyle C_{T}}$ ${\displaystyle R_{E}}$ ${\displaystyle R_{L}}$ ${\displaystyle C_{T}}$
• Pulsador de avalancha de línea de transmisión: una señal de disparo aplicada al cable de base del transistor de avalancha provoca la ruptura de avalancha entre el cable del colector y del emisor. El rápido tiempo de aumento de la corriente del colector genera un pulso de corriente de aproximadamente la misma amplitud, que se propaga a lo largo de la línea de transmisión. El pulso llega al extremo de la línea en circuito abierto después de que ha transcurrido el tiempo de retardo característico de la línea y luego se refleja hacia atrás. Si la impedancia característica de la línea de transmisión es igual a las resistencias y , el pulso reflejado hacia atrás llega al comienzo de la línea y se detiene. Como consecuencia de este comportamiento de onda viajera, la corriente que fluye a través del transistor de avalancha tiene una forma rectangular de duración. ${\displaystyle t_{f}}$ ${\displaystyle R_{E}}$ ${\displaystyle R_{L}}$

${\displaystyle t=2t_{f}\,}$

En diseños prácticos, se coloca una impedancia ajustable como una red Zobel de dos terminales (o simplemente un condensador de ajuste ) desde el colector del transistor de avalancha a tierra, lo que le da al pulsador de la línea de transmisión la capacidad de reducir el zumbido y otros comportamientos no deseados en los voltajes de salida. .

Pulsador de transistor de avalancha de descarga de condensador simplificado.

Pulsador de transistor de avalancha de línea de transmisión simplificada.

Es posible convertir esos circuitos en multivibradores astables eliminando sus circuitos de entrada de disparo y

1. elevar el voltaje de su fuente de alimentación hasta que comience una oscilación de relajación , o ${\displaystyle V_{CC}}$
2. conectar la resistencia de base a un voltaje de polarización de base positiva y, por lo tanto, iniciar a la fuerza la ruptura de la avalancha y la oscilación de relajación asociada . ${\displaystyle R_{B}}$ ${\displaystyle V_{BB}}$

Un ejemplo bien detallado del primer procedimiento se describe en la referencia Holme (2006). También es posible realizar multivibradores biestables en modo avalancha , pero su uso no es tan común como otros tipos de multivibradores descritos , una razón importante es que requieren dos transistores de avalancha, uno de los cuales trabaja continuamente en régimen de ruptura de avalancha, y esto puede causar serios problemas. desde el punto de vista de la disipación de energía y la vida útil del dispositivo.

Una aplicación práctica, fácil de realizar y económica es la generación de pulsos de aumento rápido para verificar el tiempo de aumento del equipo. ^{[1] [3]}

El triodo de tiempo de tránsito de avalanchas controladas (CATT)

La amplificación del modo de avalancha se basa en la multiplicación de avalanchas como cambio de modo de avalancha. Sin embargo, para este modo de operación, es necesario que el coeficiente de multiplicación de avalancha de Miller se mantenga casi constante para grandes oscilaciones de voltaje de salida: si esta condición no se cumple, surge una distorsión de amplitud significativa en la señal de salida. Como consecuencia, ${\displaystyle M}$

• Los transistores de avalancha utilizados para aplicaciones en circuitos de conmutación no se pueden utilizar ya que el coeficiente de Miller varía ampliamente con el voltaje del colector al emisor.
• el punto de funcionamiento del dispositivo no puede estar en la resistencia negativa de la región de ruptura de avalancha por la misma razón

Estos dos requisitos implican que un dispositivo utilizado para amplificación necesita una estructura física diferente a la de un transistor de avalancha típico. El triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlada (CATT), diseñado para amplificación de microondas , tiene una región ligeramente dopada bastante grande entre la base y las regiones del colector, lo que le da al dispositivo un voltaje de ruptura colector-emisor bastante alto en comparación con los transistores bipolares del mismo. geometría. El mecanismo de amplificación actual es el mismo del transistor de avalancha, es decir, generación de portadora por ionización de impacto , pero también hay un efecto de tiempo de tránsito como en los diodos IMPATT y TRAPATT , donde una región de alto campo viaja a lo largo de la unión de avalancha , precisamente a lo largo la región intrínseca. La estructura del dispositivo y la elección del punto de polarización implican que ${\displaystyle BV_{CEO}}$

1. El coeficiente de multiplicación de avalanchas M de Miller está limitado a aproximadamente 10.
2. El efecto del tiempo de tránsito mantiene este coeficiente casi constante e independiente del voltaje colector-emisor.

La teoría de este tipo de transistor de avalancha se describe completamente en el artículo de Eshbach, Se Puan y Tantraporn (1976), que también muestra que esta estructura de dispositivo semiconductor es muy adecuada para la amplificación de potencia de microondas . Puede entregar varios vatios de potencia de radiofrecuencia a una frecuencia de varios gigahercios y también tiene un terminal de control, la base . Sin embargo, no se usa mucho ya que requiere voltajes superiores a 200 voltios para funcionar correctamente, mientras que el arseniuro de galio u otros FET semiconductores compuestos ofrecen un rendimiento similar y son más fáciles de trabajar. Una estructura de dispositivo similar, propuesta más o menos en el mismo período en el artículo Carrol & Winstanley (1974), fue el IMPISTOR, que era un transistor con unión colector-base IMPATT .

Esquema de un amplificador de microondas CATT .

Ver también

• diodo de avalancha

Notas

1. "Linear Technology AN47" Archivado el 20 de marzo de 2012 en Wayback Machine , Técnicas de amplificador de alta velocidad, 1991, Apéndice D: Medición de la respuesta de la sonda-osciloscopio.
2. "Linear Technology AN94", Verificación de la velocidad de giro para amplificadores de banda ancha La domesticación del giro "
3. iceNINE Tech: generador de impulsos casero realmente rápido

Referencias

• Baker, R. Jacob (1991), "Generación de impulsos de alto voltaje utilizando la segunda ruptura en modo actual en un transistor de unión bipolar", Review of Scientific Instruments , 62 (4), The American Institute of Physics: 1031–1036, Bibcode :1991RScI. ..62.1031B, doi :10.1063/1.1142054, archivado desde el original el 24 de febrero de 2013. Una descripción clara de los circuitos de transistores de avalancha que funcionan en la segunda región de ruptura (acceso restringido): sin embargo, una copia del sitio web del autor está disponible aquí.
• Eshbach, John R.; Se Puan, Yu; Tantraporn, Wirojana (1976), "Teoría de un nuevo amplificador de potencia de microondas de tres terminales", IEEE Transactions on Electron Devices , 23 (3), IEEE : 332–343, Bibcode : 1976ITED...23..332S, doi : 10.1109/t-ed.1976.18401, S2CID  24745109. El primer artículo que describe los principios de funcionamiento y las posibles aplicaciones del CATT (acceso restringido).
• Meiling, Wolfgang; Stary, Franz (1968), Técnicas de pulso de nanosegundos , Nueva York - Londres - París : Gordon & Breach Science Publishers. Secciones 3.1.5 "Transistores de avalancha", 3.2 y 3.4 "Circuitos de disparo que contienen transistores de avalancha".
• Millman, Jacob; Taub, Herbert (1965), Pulso, formas de onda digitales y de conmutación , Nueva York - St. Louis - San Francisco - Toronto - Londres - Sydney : McGraw-Hill Book Company. Principalmente los apartados 6.9, 6.10, 12.10, 13,16, 13.17.
• Roehr, William D. (1963), Manual de transistores de conmutación de alta velocidad (3.ª edición), Phoenix : Motorola , Inc.. Capítulo 9 "Cambio del modo de avalancha".
• Nota de diseño del semiconductor Zetex del transistor de avalancha ZTX413 24, octubre de 1995.
• Hoja de datos del semiconductor Zetex del transistor de avalancha ZTX413, marzo de 1994.
• Nota de aplicación 8 de Zetex Semiconductors del transistor en modo avalancha ZTX415, enero de 1996.

Bibliografía

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• Kennedy, DP; O'Brien, RR (1966), "Cálculos de descomposición de avalanchas para una unión pn plana", IBM Journal of Research and Development , 10 (3): 213–219, doi :10.1147/rd.103.0213. Un artículo que contiene un análisis preciso del fenómeno de ruptura por avalancha en uniones pn planas , como las que se encuentran en casi todos los transistores modernos.
• Miller, SL (1955), "Desglose de avalanchas en germanio", Physical Review , 99 (4): 1234–1241, Bibcode :1955PhRv...99.1234M, doi :10.1103/physrev.99.1234. El artículo donde apareció por primera vez la fórmula anterior para el coeficiente de multiplicación de avalanchas M (acceso restringido).
• Дьяконов (Dyakonov), Vladimir Pavlovich (1973), Лавинные транзисторы и их применение в импульсных устройствах , Советское радио (Sovetskoe Radio)( Formato djvu comprimido ). " Transistores de avalancha y su aplicación en circuitos de impulsos " es un libro muy escaso que vale la pena leer, especialmente para el lector ruso: cobertura detallada de la teoría del transistor de avalancha, análisis de circuitos prácticos y una rica bibliografía de 125 títulos.
• Дьяконов (Dyakonov), Vladimir Pavlovich (2008), Лавинные транзисторы и тиристоры. теория и применение, Москва.СОЛОН-Пресс (Moscú. SOLON-Press), archivado desde el original el 1 de mayo de 2008. " Transistores y tiristores de avalancha. Teoría y aplicaciones ": un libro reciente sobre el mismo tema.

enlaces externos

Teoría

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varia

• Página web académica de R. Jacob Baker en la Universidad de Nevada, Las Vegas . Contribuyente a la teoría y aplicaciones de los transistores de avalancha.
• Владимир Павлович Дьяконов (Vladimir Pavlovich D'yakonov) (en ruso ). Algunas notas biográficas sobre uno de los principales contribuyentes a la teoría y aplicación de los transistores de avalancha.
• Página web académica de Ari Kilpelä de la Universidad de Oulu . Investigador que trabaja en teoría y aplicaciones de circuitos de transistores de avalancha.