Transistor de unión bipolar

Transistor que utiliza electrones y huecos como portadores de carga.

Modelo 3D de un paquete TO-92, comúnmente utilizado para pequeños transistores bipolares

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 (FET), utiliza sólo 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 p-n entre dos tipos de semiconductores , tipo n y tipo p, que son regiones de un solo cristal de material. Las uniones se pueden realizar de varias maneras diferentes, como cambiando el dopaje del material semiconductor a medida que crece, depositando bolitas de metal para formar uniones de aleación o mediante métodos tales como la difusión de sustancias dopantes de tipo n y p en el cristal. La previsibilidad y el rendimiento superiores de los transistores de unión desplazaron rápidamente al transistor de contacto puntual original . 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 mainframes y minicomputadoras , pero la mayoría de los sistemas informáticos ahora utilizan circuitos integrados complementarios de semiconductores de óxido metálico ( CMOS ) que dependen del transistor de efecto de campo (FET). Los transistores bipolares todavía se utilizan para amplificación de señales, conmutación y en circuitos integrados de señales mixtas que utilizan BiCMOS . Los tipos especializados se utilizan para interruptores de alto voltaje, amplificadores de radiofrecuencia (RF) o para conmutar corrientes altas.

Convenciones de dirección actuales

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 los conductores metálicos generalmente ^[a] se debe al flujo de electrones. Como los electrones tienen carga negativa, se mueven en dirección opuesta a la corriente convencional. Por otro lado, dentro de un transistor bipolar, las corrientes pueden estar compuestas tanto de huecos cargados positivamente como de 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 comprende dos uniones semiconductoras que comparten una región delgada dopada con p, y un transistor PNP comprende dos uniones semiconductoras 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 portadores de carga (electrones y huecos) 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 conectarse a estas regiones. Normalmente, la región del emisor está muy dopada en comparación con las otras dos capas, y el colector está más ligeramente dopado (normalmente diez veces más ligero ^[2] ) que la base. Por diseño, la mayor parte de la corriente del colector BJT se debe al flujo de portadores de carga inyectados desde un emisor fuertemente dopado hacia la base donde son portadores minoritarios (electrones en NPN, huecos en PNP) que se difunden hacia el colector, por lo que los BJT se clasifican. como dispositivos de 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 tiene polarización inversa . Cuando se aplica 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. Esto permite que los portadores excitados térmicamente (electrones en NPN, agujeros en PNP) se inyecten desde el emisor a la región base. Estos portadores crean una corriente de difusión a través de la base desde la región de alta concentración cerca del emisor hacia la región de baja concentración cerca del colector.

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 como para que los portadores puedan difundirse a través de ella en mucho menos tiempo que la vida útil de los portadores minoritarios del semiconductor. Tener una base ligeramente dopada garantiza 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 unión. colector por el campo eléctrico en la región de agotamiento. La delgada base compartida y el dopaje asimétrico colector-emisor son lo que diferencia un transistor bipolar de dos diodos separados conectados en serie.

Control de voltaje, corriente y carga.

Se puede considerar que la corriente colector-emisor está 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 exponencial corriente-voltaje habitual de la unión ap-n (diodo). ^[3]

La explicación de la corriente del 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 muchos menos transportistas excedentes que los transportistas mayoritarios normales), las tarifas de transporte ambipolares (en las que los transportistas mayoritarios y minoritarios excedentes fluyen al mismo ritmo) están en efecto determinado por el exceso de transportistas minoritarios.

Los modelos detallados de la acción del transistor, como el modelo Gummel-Poon , tienen en cuenta la distribución de esta carga explícitamente para explicar el comportamiento del transistor con mayor exactitud. ^[6] La vista de control de carga maneja fácilmente fototransistores , donde los portadores minoritarios en la región base se crean mediante la absorción de fotones , y maneja la dinámica de apagado o 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 los terminales, las vistas de control de corriente y voltaje se utilizan generalmente en el diseño y análisis de circuitos.

En el diseño de circuitos analógicos , a veces se utiliza la vista de control de corriente porque es aproximadamente lineal. Es decir, la corriente del colector es aproximadamente veces la corriente de base. Algunos circuitos básicos se pueden diseñar suponiendo que el voltaje base-emisor es aproximadamente constante y que la corriente del colector es β veces la corriente de la base. Sin embargo, para diseñar circuitos BJT de producción de manera precisa y confiable, se requiere el modelo de control de voltaje (por ejemplo, el modelo de Ebers-Moll ). ^[3] El modelo de control de voltaje requiere que se tenga en cuenta una función exponencial, pero cuando se linealiza de manera que el transistor pueda modelarse como una transconductancia, como en el modelo de Ebers-Moll, se vuelve a diseñar circuitos como amplificadores diferenciales. se convierte en un problema mayoritariamente lineal, por lo que a menudo se prefiere la visión de control de voltaje. Para circuitos translineales , en los 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 transistor se realiza utilizando SPICE o un simulador de circuito analógico comparable, por lo que la complejidad del modelo matemático no suele ser de mucha preocupación para el diseñador, pero una vista simplificada de las características permite crear diseños siguiendo un proceso lógico. . ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$

Retraso de encendido, apagado y almacenamiento

Los transistores bipolares, y en particular los transistores de potencia, tienen largos tiempos de almacenamiento en la base cuando llegan a la saturación; el almacenamiento base limita el tiempo de apagado al cambiar de aplicación. Una pinza Baker puede evitar que el transistor se sature mucho, lo que reduce la cantidad de carga almacenada en la base y, por 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 agujeros que se inyecten desde la base al emisor. Una región de 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.

Ganancia de corriente de emisor común

La ganancia de corriente del emisor común está representada por β _F o el parámetro h h _FE ; es aproximadamente la relación entre la corriente continua del colector y la corriente continua de la base en la región activa hacia adelante. (El subíndice F se utiliza para indicar el modo de operación activo hacia adelante). Normalmente es mayor que 50 para transistores de señal pequeña, pero puede ser menor en transistores diseñados para aplicaciones de alta potencia. Tanto la eficiencia de la inyección como la recombinación en la base reducen la ganancia de BJT.

Ganancia de corriente de base común

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:

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}},&\beta _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}},\\\alpha _{\text{F}}&={\frac {\beta _{\text{F}}}{1+\beta _{\text{F}}}}&\iff \beta _{\text{F}}&={\frac {\alpha _{\text{F}}}{1-\alpha _{\text{F}}}}.\end{aligned}}}$

Beta es una figura de mérito conveniente para describir el rendimiento 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 de 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 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 permita que fluya la corriente de colector requerida.

Estructura

Sección transversal simplificada de un transistor de unión bipolar NPN plano

Los BJT constan de tres regiones semiconductoras dopadas de manera diferente: la región emisora , la región base y la región colectora . 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, apropiadamente 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 en sección 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 intercambiar el colector y el emisor hace que el transistor salga del modo activo directo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor generalmente está optimizada para el funcionamiento en modo directo, el intercambio del colector y el emisor hace que los valores de α y β en funcionamiento inverso sean mucho más pequeños que los del funcionamiento directo; a menudo el α del modo inverso es inferior a 0,5. La falta de simetría se debe principalmente a las relaciones de dopaje entre el emisor y el colector. El emisor está fuertemente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, lo que permite aplicar una gran tensión de polarización inversa 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 con respecto a los inyectados por la base. Para una ganancia de corriente alta, la mayoría de los portadores inyectados en la unión emisor-base deben provenir del emisor.

Matriz de un transistor NPN 2N2222: los cables de conexión se conectan a la base y al emisor.

Los transistores bipolares "laterales" de bajo rendimiento que a veces se utilizan en procesos CMOS a veces están diseñados simétricamente, es decir, sin diferencia entre funcionamiento 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 se fabricaban con germanio , pero la mayoría de los BJT modernos están fabricados con silicio . Una minoría significativa también se fabrica ahora con arseniuro de galio , especialmente para aplicaciones de muy alta velocidad (ver HBT, más abajo).

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

Símbolo del transistor bipolar NPN con dirección de flujo de corriente

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

Regiones de operación

Los transistores bipolares tienen cuatro regiones de operación distintas, definidas por las polarizaciones de la unión BJT: ^{[9] [10]}

Activo hacia adelante (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 permitir la mayor ganancia de corriente del emisor común, β _F , en modo activo directo. Si este es el caso, la corriente colector-emisor es aproximadamente proporcional a la corriente base, pero muchas veces mayor, para variaciones pequeñas de la corriente base.

Activo inverso (o inverso-activo o invertido )

Al invertir las condiciones de polarización de la región activa directa, un transistor bipolar pasa al modo activo inverso. En este modo, las regiones emisora ​​y colectora intercambian funciones. Debido a que la mayoría de los BJT están diseñados para maximizar la ganancia de corriente en el modo activo directo, el β _F en el modo invertido es varias veces menor (2 a 3 veces para el transistor de germanio ordinario). Este modo de transistor rara vez se usa y 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 menor en esta región.

Saturación

Con ambas uniones polarizadas directamente, 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 interruptor lógico "encendido" o cerrado.

Cortar

En el corte, están presentes condiciones de polarización opuestas a la saturación (ambas uniones con polarización inversa). Hay muy poca corriente, lo que corresponde a un "apagado" lógico o un interruptor abierto.

Características de entrada y salida de un amplificador de transistores de silicio de base común.

Aunque estas regiones están bien definidas para voltajes aplicados suficientemente grandes, se superponen un poco para sesgos pequeños (menos de unos pocos cientos de milivoltios). Por ejemplo, en la configuración típica de emisor conectado a tierra de un BJT NPN utilizado como interruptor desplegable en lógica digital, el estado "apagado" nunca involucra una unión con polarización inversa porque el voltaje de la base nunca desciende por debajo del suelo; sin embargo, la polarización directa es lo suficientemente cercana a 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 de 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 invertidas 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 el 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 del _colector IC . El resto de los electrones se recombinan con los huecos, los portadores mayoritarios 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, IE , es la corriente total _del transistor, que es la suma de las otras corrientes terminales (es decir, IE  =  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 va en la dirección opuesta a las flechas porque los electrones llevan carga eléctrica negativa . En modo activo, la relación entre la corriente del colector y la corriente base se denomina ganancia de corriente CC . Esta ganancia suele ser 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 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, la relación entre el cambio en la corriente del colector y el cambio en la corriente de base. El símbolo se utiliza tanto para como para . ^{[3] : 62–66} ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$ ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$ ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$ ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$

La corriente del emisor está relacionada exponencialmente. A temperatura ambiente , un aumento de aproximadamente 60 mV aumenta la corriente del emisor en un factor de 10. Debido a que la corriente de base es aproximadamente proporcional a las corrientes del colector y del emisor, varían de la misma manera. ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$

Historia

El transistor bipolar de contacto puntual fue inventado en diciembre de 1947 ^[11] 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, ^[12] fue durante tres décadas el dispositivo elegido en el diseño de circuitos discretos e integrados . Hoy en día, el uso del BJT ha decaído 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 como referencia 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 una fuga térmica . Dado que las uniones pn de germanio tienen una polarización directa menor que la del silicio, los transistores de germanio se encienden a un voltaje más bajo.

Técnicas de fabricación tempranas

Se desarrollaron varios métodos para fabricar transistores bipolares. ^[13]

• Transistor de contacto puntual  : primer transistor jamás construido (diciembre de 1947), un transistor bipolar, uso comercial limitado debido al alto costo y al ruido.
  • Transistor de contacto puntual tetrodo : transistor de contacto puntual que tiene dos emisores. Quedó obsoleto a mediados de la década de 1950.
• Transistores de unión
  • Transistor de unión cultivada  : primer transistor de unión bipolar fabricado. ^[14] Inventado por William Shockley en Bell Labs el 23 de junio de 1948. ^[15] Patente presentada el 26 de junio de 1948.
  • Transistor de unión de aleación  : cuentas de aleación de emisor y colector fusionadas a la base. Desarrollado en General Electric y RCA ^[16] en 1951.
    • Transistor de microaleación (MAT): tipo de transistor de unión de aleación de alta velocidad. Desarrollado en Philco . ^[17]
    • Transistor difuso de microaleación (MADT): tipo de transistor de unión de aleación de alta velocidad, más rápido que MAT, un transistor de base difusa . Desarrollado en Philco.
    • Transistor difuso de posaleación (PADT): tipo de transistor de unión de aleación de alta velocidad, más rápido que MAT, un transistor de base difusa. Desarrollado en Philips .
  • Transistor tetrodo  : variante de alta velocidad del transistor de unión crecida ^[18] o del transistor de unión de aleación ^[19] con dos conexiones a la base.
  • Transistor de barrera de superficie  : transistor de unión de barrera metálica de alta velocidad. Desarrollado en Philco ^[20] en 1953. ^[21]
  • Transistor de campo de deriva  : transistor de unión bipolar de alta velocidad. Inventado por Herbert Kroemer ^{[22] [23]} en la Oficina Central de Tecnología de Telecomunicaciones del Servicio Postal Alemán, en 1953.
  • Spacistor  - alrededor de 1957.
  • Transistor de difusión  : transistor de unión bipolar de tipo moderno. Prototipos ^[24] desarrollados en Bell Labs en 1954.
    • Transistor de base difusa  : primera implementación del transistor de difusión.
    • Transistor de mesa  : desarrollado en Texas Instruments en 1957.
    • Transistor planar  : el transistor de unión bipolar que hizo posible la producción en masa de circuitos integrados monolíticos. Desarrollado por Jean Hoerni ^[25] en Fairchild en 1959.
  • Transistor epitaxial ^[26]  : un transistor de unión bipolar fabricado mediante deposición en fase de vapor. Véase epitaxia . Permite un control muy preciso de los niveles y gradientes de dopaje.

Teoría y modelado

Diagrama de bandas para transistor NPN en equilibrio

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

Los BJT pueden considerarse como dos diodos (uniones p-n) que comparten una región común a través de la cual los operadores minoritarios pueden moverse. 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. Conectar dos diodos con cables no generará 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 permitiendo que una pequeña entrada de corriente a la base controle una salida amplificada del colector. El resultado es que el BJT realiza 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 aproximadamente 100 veces su intensidad original. Las redes de BJT se utilizan para fabricar amplificadores potentes con muchas aplicaciones diferentes.

En la discusión a continuación, la atención se centra en el NPN BJT. En lo que se llama modo activo, el voltaje base-emisor y el voltaje colector-base son positivos, polarizando directamente la unión emisor-base y polarizando inversamente la unión colector-base. En este modo, los electrones se inyectan desde la región del emisor tipo n con polarización directa hacia la base tipo p donde se difunden como portadores minoritarios al colector tipo n con polarización inversa y son barridos por el campo eléctrico en la región con polarización inversa. unión colector-base. ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ ${\displaystyle V_{\text{CB}}}$

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

Modelos de señal grande

En 1954, Jewell James Ebers y John L. Moll introdujeron su modelo matemático de corrientes de transistores: ^[27]

Modelo de Ebers-Moll

Modelo de Ebers-Moll para un transistor NPN. ^[28] I _B , I _C e I _E son las corrientes de base, colector y emisor; I _CD e I _ED son las corrientes de los diodos 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 aproximado de Ebers-Moll para un transistor NPN en 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, lo que proporciona la amplificación de la corriente de base.

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

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{\text{E}}&=I_{\text{ES}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\\I_{\text{C}}&=\alpha _{\text{F}}I_{\text{E}}\\I_{\text{B}}&=\left(1-\alpha _{\text{F}}\right)I_{\text{E}}\end{aligned}}}$

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

${\displaystyle J_{n\,({\text{base}})}={\frac {1}{W}}qD_{n}n_{bo}e^{\frac {V_{\text{EB}}}{V_{\text{T}}}}}$

dónde

• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a 300 K ≈ temperatura ambiente). ${\displaystyle kT/q}$
• ${\displaystyle I_{\text{E}}}$es la corriente del emisor
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$es la corriente del colector
• ${\displaystyle \alpha _{\text{F}}}$es la ganancia de corriente de cortocircuito directo de base común (0,98 a 0,998)
• ${\displaystyle I_{\text{ES}}}$es la corriente de saturación inversa del diodo base-emisor (del orden de 10 ⁻¹⁵ a 10 ⁻¹² amperios)
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$es el voltaje base-emisor
• ${\displaystyle D_{n}}$es la constante de difusión de los electrones en la base tipo p
• W es el ancho de la base

Los parámetros y forward son los descritos anteriormente. A veces se incluye un reverso en el modelo. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$

A continuación se dan las ecuaciones de Ebers-Moll no aproximadas utilizadas para describir las tres corrientes en cualquier región operativa. Estas ecuaciones se basan en el modelo de transporte de un transistor de unión bipolar. ^[29]

${\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}&=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}}$

dónde

• ${\displaystyle i_{\text{C}}}$es la corriente del colector
• ${\displaystyle i_{\text{B}}}$es la corriente base
• ${\displaystyle i_{\text{E}}}$es la corriente del emisor
• ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$es la ganancia de corriente del emisor común directo (20 a 500)
• ${\displaystyle \beta _{\text{R}}}$es la ganancia de corriente del emisor común inverso (0 a 20)
• ${\displaystyle I_{\text{S}}}$es la corriente de saturación inversa (del orden de 10 ⁻¹⁵ a 10 ⁻¹² amperios)
• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a 300 K ≈ temperatura ambiente).
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$es el voltaje base-emisor
• ${\displaystyle V_{\text{BC}}}$es el voltaje base-colector

Modulación de ancho de base

Arriba: ancho de base NPN para polarización inversa baja del colector-base; Abajo: ancho de base NPN más estrecho para polarización inversa de base-colector grande. Las regiones hash son regiones agotadas .

A medida que varía el voltaje colector-base ( ), la región de agotamiento colector-base varía en tamaño. Un aumento en el voltaje colector-base, por ejemplo, causa una mayor polarización inversa a través de la unión colector-base, aumentando el ancho de la región de agotamiento 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 . ${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$

La reducción del ancho de la base tiene dos consecuencias:

• Hay menos posibilidades 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 inyectada a través de la unión del emisor.

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

Perforación

Cuando el voltaje base-colector 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 de Gummel-Poon

El modelo Gummel-Poon ^[30] es un modelo detallado de dinámica BJT controlado por carga, que ha sido adoptado y elaborado por otros para explicar la dinámica de transistores con mayor detalle que los modelos basados ​​​​en terminales normalmente. ^[31] Este modelo también incluye la dependencia de los valores del transistor de los niveles de corriente continua en el transistor, que se suponen independientes de la corriente en el modelo de Ebers-Moll. ^[32] ${\displaystyle \beta }$

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 efecto de campo y de unión bipolar . A veces también se le llama modelo de Giacoletto porque fue introducido por LJ Giacoletto en 1969. El modelo puede ser bastante preciso para circuitos de baja frecuencia y puede adaptarse fácilmente a circuitos de mayor frecuencia con la adición de capacitancias entre electrodos apropiadas y otros parásitos. 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 modelo de dos puertos con parámetro y , pero que utiliza 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 particularmente adecuada para BJT, ya que se presta fácilmente al análisis del comportamiento del circuito y puede usarse 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 distintos símbolos adoptan 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 del colector ( i _c )
• V _in , voltaje base-emisor ( V _BE )
• V _o , tensión colector-emisor ( V _CE )

y los parámetros h están dados por:

• h _ix = h _ie , para la configuración de emisor común, la impedancia de entrada del transistor (correspondiente a la resistencia de 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) con respecto al valor de V _CE (salida) . Generalmente 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 h ₂₁ . Este parámetro, con "fe" minúscula para implicar una ganancia de señal pequeña (AC), o más a menudo con letras mayúsculas para "FE" (especificada como h _FE ) para significar la "señal grande" o ganancia de corriente CC ( β _DC o a menudo simplemente β ), es uno de los parámetros principales en las hojas de datos y puede darse 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 normalmente corresponde 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, indican condiciones o análisis de CA. Para condiciones DC se especifican en mayúsculas. Para la topología CE, comúnmente se usa 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 establecen 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 agregar 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 ocurre con todos los parámetros h, la elección de minúsculas o mayúsculas para las letras que siguen a la "h" es importante; minúscula significa parámetros de "señal pequeña", es decir, la pendiente de la relación particular; Las letras mayúsculas implican "señal grande" o valores de CC , la relación de voltajes o corrientes. En el caso del muy utilizado h _FE :

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

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

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

Modelos de industria

El modelo SPICE de Gummel-Poon se utiliza a menudo, pero adolece de varias limitaciones. Por ejemplo, el modelo SGP (SPICE Gummel-Poon) no captura la ruptura inversa del diodo base-emisor, ni tampoco los efectos térmicos (autocalentamiento) o la cuasi-saturación. ^[33] 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). ^{[34] [35] [36] [37]}

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 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 de emisor acoplado (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 fortalezas de aplicación 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 utilizar los BJT como componentes básicos de amplificadores electrónicos. Las tres topologías principales de amplificadores BJT son:

• emisor común
• Base común
• coleccionista común

Sensores de temperatura

Debido a la conocida dependencia de la temperatura y la corriente del voltaje de la unión base-emisor con polarización directa, el BJT se puede utilizar para medir la temperatura restando dos voltajes a dos corrientes de polarización diferentes en una proporción conocida. ^[38]

Convertidores logarítmicos

Debido a que el voltaje base-emisor varía como el logaritmo de las corrientes base-emisor y colector-emisor, también se puede utilizar 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 impulsos 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 emisor-base tiene polarización inversa, el voltaje del emisor del colector puede mantenerse a un voltaje justo por debajo del de ruptura. Tan pronto como se permite que el voltaje de la base aumente, se produce una avalancha de flujos de corriente y la ionización por impacto en la región de agotamiento de la base del colector inunda rápidamente la base con portadores y enciende el transistor por completo. Siempre que los pulsos sean lo suficientemente cortos y poco frecuentes como para que el dispositivo no se dañe, este efecto se puede utilizar para crear bordes descendentes muy agudos.

Para esta aplicación se fabrican dispositivos de transistores de avalancha especiales .

Vulnerabilidades

La exposición del transistor a la radiación ionizante provoca daños por radiación . La radiación provoca una acumulación de "defectos" en la región de la 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 clasificaciones de potencia (esencialmente limitadas por el autocalentamiento), corrientes máximas de colector y base (tanto continuas/CC como pico) y clasificaciones de tensión de ruptura , más allá de las cuales el dispositivo puede fallar o al menos funcionar mal. .

Además de los índices de avería normales del dispositivo, los BJT de potencia están sujetos a un modo de fallo llamado avería 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, al igual que otros semiconductores, tiene un coeficiente de temperatura negativo , lo que significa que conduce más corriente a temperaturas más altas. Así, la parte más caliente de la matriz conduce la mayor cantidad de corriente, lo que hace que su conductividad aumente, lo que luego hace que vuelva a calentarse progresivamente, hasta que el dispositivo falla internamente. El proceso de descontrol térmico asociado con la falla 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 corto período 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 de falla ESD común en dispositivos de bajo voltaje.

Ver también

• Portal de electrónica

• Polarización de transistores bipolares
• Trama de goma
• Transistor Bipolar de Puerta Aislada
• Transistor de emisores múltiples

Notas

1. Algunos metales, como el aluminio, tienen bandas perforadas importantes. ^[1]
2. Consulte Transistor de punto de contacto para conocer el origen histórico de estos nombres.

Referencias

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enlaces externos

• Medios relacionados con los transistores de unión bipolar en Wikimedia Commons