Transistor de unión bipolar

Transistor que utiliza tanto electrones como huecos como portadores de carga.

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

Un transistor de unión bipolar ( BJT ) es un tipo de transistor que utiliza tanto electrones como huecos de electrones como portadores de carga . Por el contrario, un transistor unipolar, como un transistor de efecto de campo (FET), 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 amplificar o conmutar .

Los transistores bipolares de unión utilizan dos uniones p-n entre dos tipos de semiconductores , el tipo n y el tipo p, que son regiones de un único cristal de material. Las uniones se pueden realizar de varias formas diferentes, como por ejemplo modificando el dopado del material semiconductor a medida que crece, depositando bolitas de metal para formar uniones de aleación o mediante métodos como la difusión de sustancias dopantes de tipo n y tipo p en el cristal. La superior previsibilidad y el rendimiento de los transistores de unión desplazaron rápidamente al transistor de contacto puntual original . Los transistores de unión difusa, 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 un coste muy bajo.

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 de semiconductor de óxido metálico complementario ( CMOS ) que se basan en el transistor de efecto de campo (FET). Los transistores bipolares aún se utilizan para amplificación de señales, conmutación y en circuitos integrados de señal mixta que utilizan BiCMOS . Se utilizan tipos especializados para interruptores de alto voltaje, para amplificadores de radiofrecuencia (RF) 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 los conductores metálicos generalmente es ^[a] debido al flujo de electrones. Debido a que los electrones tienen una carga negativa, se mueven en la dirección opuesta a la corriente convencional. Por otro lado, dentro de un transistor bipolar, las corrientes pueden estar compuestas tanto de huecos con carga positiva como de electrones con carga negativa. 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 en 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 p, y un transistor PNP comprende dos uniones semiconductoras que comparten una región delgada dopada n. El tipo N significa dopado con impurezas (como fósforo o arsénico ) que proporcionan electrones móviles, mientras que el tipo p significa dopado con impurezas (como boro ) que proporcionan huecos que aceptan fácilmente electrones.

BJT NPN 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 la conexión a estas regiones. Normalmente, la región del emisor está muy dopada en comparación con las otras dos capas, y el colector está dopado menos (normalmente diez veces más ligero ^[2] ) que la base. Por diseño, la mayor parte de la corriente del colector del BJT se debe al flujo de portadores de carga inyectados desde un emisor muy 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 un funcionamiento típico, la unión base-emisor está polarizada directamente , lo que significa que el lado dopado p de la unión está a un potencial más positivo que el lado dopado n, y la unión base-colector está polarizada inversamente . 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, huecos en PNP) se inyecten desde el emisor a la región de la 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 portadores. La unión colector-base está polarizada inversamente, 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 alcanzar la región de agotamiento colector-base son arrastrados hacia el colector por el campo eléctrico en la región de agotamiento. La base compartida delgada y el dopaje asimétrico colector-emisor son 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 considerarse controlada por la corriente base-emisor (control de corriente) o por el voltaje base-emisor (control de voltaje). Estos puntos de vista están relacionados por la relación corriente-voltaje de la unión base-emisor, que es la curva corriente-voltaje exponencial habitual de una unión p-n (diodo). ^[3]

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

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

En el diseño de circuitos analógicos , a veces se utiliza la visión 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 asumiendo que el voltaje base-emisor es aproximadamente constante y que la corriente del colector es β veces la corriente de base. Sin embargo, para diseñar de forma precisa y confiable circuitos BJT de producción, 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 modo que el transistor se pueda modelar como una transconductancia, como en el modelo de Ebers-Moll, el diseño de circuitos como amplificadores diferenciales nuevamente se convierte en un problema principalmente 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 el funcionamiento, 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 generalmente no es una gran 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 de base cuando se los lleva a la saturación; el almacenamiento de base limita el tiempo de apagado en aplicaciones de conmutación. Una pinza Baker puede evitar que el transistor se sature demasiado, lo que reduce la cantidad de carga almacenada en la base y, por lo tanto, mejora el tiempo de conmutación.

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

La proporción de portadores capaces de atravesar la base y llegar al colector es una medida de la eficiencia del BJT. El dopaje intenso de la región del emisor y el dopaje ligero de la región de la base hacen que se inyecten muchos más electrones desde el emisor a la base que huecos 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 hacia el 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 directa. (El subíndice F se utiliza para indicar el modo de funcionamiento activo directo). 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 inyección como la recombinación en la base reducen la ganancia del BJT.

Ganancia de corriente de base común

Otra característica útil es la ganancia de corriente de base común , α _F . 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 a medida que cruzan la región de 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 planar

Los transistores BJT constan de tres regiones semiconductoras dopadas de forma diferente: la región del emisor , la región de la base y la región del colector . Estas regiones son, respectivamente, de tipo p , tipo n y tipo p en un transistor PNP, y de tipo n , tipo p y tipo n en un transistor NPN. Cada región semiconductora está conectada a un terminal, etiquetado apropiadamente: emisor (E), base (B) y colector (C).

La base está ubicada físicamente entre el emisor y el colector y está hecha de un material ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la región del emisor, lo que hace que sea 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 valor 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 abandone el modo activo directo y comience a funcionar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor suele estar optimizada para el funcionamiento en modo directo, intercambiar el colector y el emisor hace que los valores de α y β en el funcionamiento inverso sean mucho menores 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 del emisor y el colector. El emisor está muy dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, lo que permite aplicar un gran voltaje de polarización inversa antes de que se rompa la unión colector-base. La unión colector-base está polarizada inversamente en funcionamiento normal. La razón por la que el emisor está muy dopado es para aumentar la eficiencia de inyección del emisor: la relación de portadores inyectados por el emisor con los inyectados por la base. Para obtener una alta ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión emisor-base deben provenir del emisor.

Matriz 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 utilizan en los procesos CMOS a veces están diseñados simétricamente, es decir, sin diferencia entre el 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 se fabrican con silicio . Una minoría significativa también se fabrica con arseniuro de galio , especialmente para aplicaciones de muy alta velocidad (véase HBT, a continuación).

El transistor bipolar de heterojunción (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 en los sistemas de RF. ^{[7] [8]}

Símbolo de transistor bipolar NPN con dirección de flujo de corriente

Dos de los HBT más utilizados son el silicio-germanio y el arseniuro de galio y aluminio, aunque se puede utilizar una amplia variedad de semiconductores para la estructura de HBT. Las estructuras de HBT suelen desarrollarse 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 unión BJT: ^{[9] [10]}

Adelante-activo (o simplemente activo )

La unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. La mayoría de los transistores bipolares están diseñados para permitir la mayor ganancia de corriente de emisor común, β _F , en modo activo en directa. Si este es el caso, la corriente de colector-emisor es aproximadamente proporcional a la corriente de base, pero muchas veces mayor, para pequeñas variaciones de la corriente de base.

Activa inversa (o invertida-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 de emisor y colector intercambian funciones. 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 modo invertido es varias veces menor (2-3 veces para el transistor de germanio común). Este modo de transistor rara vez se utiliza, 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 desde el emisor al colector). Este modo corresponde a un interruptor "encendido" lógico o cerrado.

Cierre

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

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

Aunque estas regiones están bien definidas para voltajes aplicados suficientemente grandes, 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 BJT NPN utilizado como interruptor pulldown en lógica digital, el estado "apagado" nunca involucra una unión con polarización inversa porque el voltaje base nunca desciende por debajo de la tierra; 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 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, los portadores mayoritarios en la base, creando 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 va en la dirección opuesta de las flechas porque los electrones llevan carga eléctrica negativa . En el modo activo, la relación entre la corriente del colector y la corriente de base se denomina ganancia de corriente de 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 se produce 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 es . 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 con la corriente de manera exponencial. 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 punto de contacto 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 de elección en el diseño de circuitos discretos e integrados . Hoy en día, el uso del BJT ha disminuido en favor de la tecnología CMOS en el diseño de circuitos integrados digitales. Sin embargo, los BJT de bajo rendimiento incidentales inherentes a los circuitos integrados CMOS a menudo se utilizan 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 los años 1950 y 1960, pero tiene una mayor tendencia a presentar descontrol térmico . Dado que las uniones pn de germanio tienen una polarización directa menor que las de silicio, los transistores de germanio se activan a un voltaje más bajo.

Técnicas de fabricación tempranas

Se desarrollaron varios métodos de fabricación de transistores bipolares. ^[13]

• Transistor de contacto puntual  : primer transistor jamás construido (diciembre de 1947), un transistor bipolar, de uso comercial limitado debido a su alto coste y al ruido.
  • Transistor de punto de contacto tetrodo : transistor de punto de contacto con dos emisores. Quedó obsoleto a mediados de los años 50.
• Transistores de unión
  • Transistor de unión desarrollada : 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  : emisor y colector con perlas de aleación 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 de unión de aleación microdifundida (MADT): tipo de transistor de unión de aleación de alta velocidad, más veloz que el MAT, un transistor de base difundida . Desarrollado en Philco.
    • Transistor de unión de aleación posterior (PADT): tipo de transistor de unión de aleación de alta velocidad, más veloz que el MAT, un transistor de base difusa. Desarrollado en Philips .
  • Transistor tetrodo  : variante de alta velocidad del transistor de unión desarrollada ^[18] o 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.
  • Espacistores  – 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 Mesa  : desarrollado en Texas Instruments en 1957.
    • Transistor planar  : 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]  : 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 modelización

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 por la que pueden pasar los portadores minoritarios. Un BJT PNP 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 formará un BJT, ya que los portadores minoritarios no podrán llegar 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 es un buen interruptor que se controla mediante su entrada de 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 el análisis que sigue, nos centraremos en el BJT NPN. En lo que se denomina modo activo, el voltaje base-emisor y el voltaje colector-base son positivos, lo que polariza directamente la unión emisor-base y polariza inversamente la unión colector-base. 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 hacia el colector de tipo n con polarización inversa y son arrastrados por el campo eléctrico en la unión colector-base con polarización inversa. ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ ${\displaystyle V_{\text{CB}}}$

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: ^[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 colector y diodo 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 está polarizado en sentido inverso, por lo que _ICD es prácticamente cero. La mayor parte de la corriente del diodo emisor ( αF es casi ₁ ) se obtiene del colector, lo que proporciona la amplificación de la corriente de base.

Las corrientes de emisor y colector de CC 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 directa 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 de tipo p
• W es el ancho de la base

Los parámetros de avance y retroceso son los descritos anteriormente. A veces se incluye un parámetro de retroceso en el modelo. ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$

A continuación se presentan las ecuaciones de Ebers-Moll no aproximadas que se utilizan para describir las tres corrientes en cualquier región operativa. Estas ecuaciones se basan en el modelo de transporte para 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 colector-base baja; abajo: ancho de base NPN más angosto para polarización inversa colector-base alta. Las regiones con sombreado 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 . ${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$

El estrechamiento del ancho de la base tiene dos consecuencias:

• Hay una menor probabilidad 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 portadores minoritarios inyectados a través de la unión del emisor.

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

Perforación

Cuando el voltaje base-colector alcanza un valor determinado (específico del dispositivo), el límite de la región de agotamiento base-colector se encuentra con el límite de la región de agotamiento base-emisor. Cuando se encuentra en este estado, el transistor no tiene base, por lo que el dispositivo pierde toda ganancia.

Modelo de control de carga de Gummel-Poon

El modelo Gummel-Poon ^[30] es un modelo detallado controlado por carga de la dinámica de los BJT, que ha sido adoptado y elaborado por otros para explicar la dinámica de los transistores con mayor detalle que los modelos basados ​​en terminales. ^[31] Este modelo también incluye la dependencia de los valores del transistor con respecto a los niveles de corriente continua en el transistor, que se supone que son independientes de la corriente en el modelo 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 el comportamiento de señales pequeñas y de corriente alterna de transistores de unión bipolar y de efecto de campo . A veces también se lo llama modelo de Giacoletto porque fue introducido por LJ Giacoletto en 1969. El modelo puede ser bastante preciso para circuitos de baja frecuencia y se puede adaptar fácilmente para circuitos de mayor frecuencia con la adición de capacitancias entre electrodos adecuadas y otros elementos parásitos.

modelo de parámetro h

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

Otro modelo que se utiliza habitualmente para analizar circuitos BJT es el modelo de parámetro h , también conocido como modelo equivalente híbrido, 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 los 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 se puede utilizar 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 como e
• i _i , corriente base ( i _b )
• i _o , corriente de colector ( i _c )
• V _in , voltaje base-emisor ( V _BE )
• V _o , voltaje colector-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 de base r _pi ).
• h _rx = h _re , una relación de transferencia inversa , representa la dependencia de la curva I _B – V _BE (entrada) del transistor con respecto al valor de V _CE (salida) . Suele ser muy pequeña y a menudo se la ignora (se supone que es cero) en CC.
• h _fx = h _fe , la ganancia de corriente "directa" del transistor, a veces escrita h ₂₁ . Este parámetro, con "fe" minúscula para implicar ganancia de señal pequeña (CA), o más a menudo con letras mayúsculas para "FE" (especificado 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 graficarse como una función de la corriente de colector. Vea a continuación.
• h _ox = 1/ h _oe , la impedancia de salida del transistor. El parámetro h _oe corresponde normalmente 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 minúscula y, por lo tanto, significan condiciones o análisis de CA. Para condiciones de CC, se especifican en mayúsculas. Para la topología CE, se utiliza comúnmente un modelo aproximado de parámetros h que simplifica aún más el análisis del circuito. Para esto, se ignoran los parámetros h _oe y h _re (es decir, se establecen en infinito y cero, respectivamente). El modelo de parámetros h que se muestra es adecuado para análisis de baja frecuencia y señales pequeñas. Para análisis de alta frecuencia, se deben agregar las capacitancias entre electrodos que son importantes a altas frecuencias.

Etimología deyo_{En fe}

La h se refiere a que es un parámetro h, un conjunto de parámetros que reciben su nombre por su origen en un modelo de circuito equivalente híbrido ( ver arriba). Como con todos los parámetros h, la elección de mayúsculas o minúsculas para las letras que siguen a la "h" es significativa; las minúsculas significan 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 los voltajes o corrientes. En el caso del muy utilizado h _FE :

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

Por lo tanto, h _FE (o hFE) se refiere a la corriente de colector (total; CC) dividida por la corriente de base y es adimensional. Es un parámetro que varía un poco con la corriente de colector, pero que 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 una 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 del valor hFE a menos que la frecuencia de prueba sea alta.

Modelos industriales

El modelo SPICE de Gummel-Poon se utiliza a menudo, pero presenta 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 problemas 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 destaca en algunas aplicaciones, como el diseño de circuitos discretos, debido a la amplia selección de tipos de BJT disponibles y por su alta transconductancia y resistencia de salida en comparación con los MOSFET .

El BJT también es la opción ideal 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 un proceso BiCMOS de fabricación de obleas para crear circuitos que aprovechen las ventajas de aplicación de ambos tipos de transistores.

Amplificadores

Los parámetros del transistor α y β caracterizan la ganancia de corriente del BJT. Esta ganancia es la que permite utilizar los BJT como bloques de construcción de amplificadores electrónicos. Las tres principales topologías de amplificadores BJT son:

• Emisor común
• Base común
• Coleccionista común

Sensores de temperatura

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

Convertidores logarítmicos

Como el voltaje base-emisor varía según 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 pulsos de avalancha

Los transistores pueden fabricarse deliberadamente con un voltaje de ruptura colector-emisor más bajo que el voltaje de ruptura colector-base. Si la unión emisor-base está polarizada en sentido inverso, el voltaje colector-emisor puede mantenerse a un voltaje justo por debajo del voltaje de ruptura. Tan pronto como se permite que el voltaje base aumente y la corriente fluye , se produce una avalancha y la ionización por impacto en la región de agotamiento colector-base inunda rápidamente la base con portadores y enciende por completo 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 utilizar para crear bordes descendentes muy pronunciados.

Para esta aplicación se han diseñado dispositivos especiales de transistores de avalancha .

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 los portadores minoritarios provoca una pérdida gradual de la ganancia del transistor.

Los transistores tienen "valores máximos", que incluyen valores nominales de potencia (esencialmente limitados por el autocalentamiento), corrientes máximas de colector y base (tanto valores nominales continuos/de CC como de pico) y valores nominales de voltaje de ruptura , más allá de los cuales el dispositivo puede fallar o al menos funcionar mal.

Además de las clasificaciones de ruptura normales 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 el chip de silicio hacen que partes del silicio dentro del dispositivo se vuelvan desproporcionadamente más calientes que las otras. 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 del chip conduce la mayor parte de la corriente, lo que hace que su conductividad aumente, lo que luego hace que se vuelva progresivamente más caliente nuevamente, hasta que el dispositivo falla internamente. El proceso de descontrol térmico asociado con la ruptura secundaria, una vez desencadenado, ocurre casi instantáneamente y puede dañar catastróficamente el paquete del transistor.

Si la unión emisor-base está polarizada en sentido inverso en modo avalancha o Zener y la carga fluye durante un breve período de tiempo, la ganancia de corriente del BJT puede degradarse de forma permanente, 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.

Véase también

• Portal de electrónica

• Polarización de transistores bipolares
• La trama de Gummel
• Transistor bipolar de puerta aislada
• Transistor de múltiples emisores

Notas

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

Referencias

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Enlaces externos

• Medios relacionados con Transistores de unión bipolar en Wikimedia Commons