Transistor de avalancha

Un transistor de avalancha es un transistor de unión bipolar diseñado para funcionar en la región de sus características de corriente de colector/voltaje de colector a emisor más allá del voltaje de ruptura de colector a emisor , llamada región de ruptura de avalancha . Esta región se caracteriza por la ruptura de avalancha, que es un fenómeno similar a la descarga de Townsend para gases, y la resistencia diferencial negativa . El funcionamiento en la región de ruptura de avalancha se denomina operación en modo avalancha : otorga a los transistores de avalancha la capacidad de conmutar corrientes muy altas con tiempos de subida y bajada ( tiempos de transición ) de menos de un nanosegundo . Los transistores no 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 trata sobre transistores de avalancha fue Ebers & 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 transistor cuando se usaron 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 una 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 solo para su uso en modo avalancha, dio lugar a una amplia investigación sobre la ionización por impacto en semiconductores (ver Kennedy & O'Brien (1966)). ${\displaystyle M}$

Desde principios de los años 60 hasta la primera mitad de los años 70 se propusieron varios circuitos con transistores de avalancha. Se estudió el tipo de transistor de unión bipolar más adecuado para su uso en la región de ruptura por avalancha. Una referencia completa, que incluye también las contribuciones de científicos de los países de la ex Unión Soviética y del COMECON , es el libro de Дьяконов (Dyakonov) (1973).

La primera aplicación del transistor de avalancha como amplificador lineal , llamado Triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlado (CATT), se describió en (Eshbach, Se Puan y Tantraporn 1976). Un dispositivo similar, llamado IMPISTOR, se describió 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 hay algunos requisitos que cumplir, como se describe a continuación. El uso de transistores de avalancha en esas aplicaciones no es generalizado, ya que los dispositivos requieren altos voltajes de colector a emisor para funcionar correctamente.

Hoy en día, todavía se están realizando investigaciones activas sobre 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 avalanchas estáticas

Corrientes y voltajes de polarización para un transistor bipolar NPN

En esta sección se calcula la característica estática de un transistor de avalancha. Para simplificar, se considera únicamente un dispositivo NPN; sin embargo, los mismos resultados son válidos para dispositivos PNP, pero cambiando los signos de voltaje y corriente en consecuencia. El análisis sigue de cerca el de William D. Roehr en (Roehr 1963). Dado que la multiplicación de ruptura por avalancha está presente únicamente en 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 trabaja 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 colector-base,
• ${\displaystyle I_{E}}$es la corriente del emisor,
• ${\displaystyle \beta }$es la ganancia de corriente del emisor común del transistor.

Igualando 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 transistor, la corriente del colector viene dada por ${\displaystyle I_{C}}$

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

donde es el coeficiente de multiplicación de avalanchas de Miller. Es el parámetro más importante en el funcionamiento del 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 la tensión 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 corriente 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 donde esta 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 . Nótese que aumenta sin límite si ${\displaystyle V_{CE}>>V_{BE}}$ ${\displaystyle I_{C}-V_{CE}}$ ${\displaystyle I_{B}}$ ${\displaystyle I_{C}}$

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

donde es la tensión de ruptura colector-emisor. También es posible expresar como función de , y obtener una fórmula analítica para la resistencia diferencial colector-emisor mediante una diferenciación directa : sin embargo, aquí no se dan los detalles. ${\displaystyle BV_{CEO}}$ ${\displaystyle V_{CE}}$ ${\displaystyle I_{C}}$

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 parásitos debidos al encapsulado que encierra al transistor se descuidan deliberadamente, ya que su análisis no agregaría nada útil desde el punto de vista de los principios de funcionamiento del transistor de avalancha. Sin embargo, al realizar un circuito electrónico , esos parámetros son de gran importancia. En particular, las inductancias parásitas en serie con los cables de colector y emisor deben minimizarse para preservar el rendimiento de alta velocidad de los circuitos de transistor 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 voltajes del colector aún están cerca de sus valores de reposo : en el circuito real, permite el cálculo de constantes de tiempo y, por lo tanto, 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 señal intrínsecamente grandes, la única forma de predecir con una precisión razonable su comportamiento real es hacer simulaciones numéricas . Una vez más, 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 circuito paralelo 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 base-emisor están polarizadas inversamente en el estado de reposo, el circuito equivalente de la entrada de base es simplemente un generador de corriente derivado por las capacitancias de la unión base-emisor y base-colector y, por lo tanto, no se analiza en lo que sigue. La constante de tiempo intrínseca del circuito básico de pequeña señal equivalente 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 mediante la diferenciación de 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 negativos. Esto significa que si la carga del colector es constante en una fuente de corriente ideal , el circuito es inestable. Esta es la justificación teórica del comportamiento multivibrador astable del circuito cuando el voltaje se eleva por encima de un nivel crítico. ${\displaystyle V_{CC}}$

Segundo modo avalancha de avería

Cuando la corriente del colector se eleva por encima del límite de la hoja de datos, un nuevo mecanismo de ruptura se vuelve importante: la segunda ruptura . Este fenómeno es causado por un calentamiento excesivo de algunos puntos ( puntos calientes ) en la región base-emisor del transistor de unión bipolar , que dan lugar a una corriente que aumenta exponencialmente a través de estos puntos: este aumento exponencial de la corriente a su vez da lugar a un sobrecalentamiento aún mayor, originando un mecanismo de retroalimentación térmica positiva . Al analizar la característica estática, la presencia de este fenómeno se ve como una caída brusca de la tensión del colector y un aumento casi vertical correspondiente de la corriente del colector. En la actualidad, no es posible producir un transistor sin puntos calientes y, por lo tanto, sin una segunda ruptura, 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 preferente. Si bien este fenómeno es destructivo para los transistores de unión bipolar que funcionan de la manera habitual, se puede utilizar para aumentar aún más los límites de corriente y voltaje de un dispositivo que funciona en modo avalancha al limitar su duración: además, la velocidad de conmutación del dispositivo no se ve afectada negativamente. En el artículo Baker (1991) se puede encontrar una descripción clara de los circuitos con transistores de avalancha que funcionan en el segundo régimen de ruptura junto con algunos ejemplos. ${\displaystyle I_{CMAX}}$ ${\displaystyle I_{C}-V_{CE}}$

Simulaciones numéricas

Los circuitos con transistores de avalancha son circuitos de señales intrínsecamente grandes, por lo que los modelos de señales pequeñas , cuando se aplican a tales circuitos, solo pueden brindar una descripción cualitativa. Para obtener información más precisa sobre el comportamiento de voltajes y corrientes dependientes del tiempo en tales circuitos, es necesario utilizar 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 por un software de simulación numérica de propósito general : los resultados obtenidos de esta manera son bastante precisos y simples 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 consiste en utilizar el simulador de circuitos analógicos SPICE junto con un modelo avanzado de transistores que admita simulaciones de ruptura por avalancha, algo que el modelo básico de transistores SPICE no hace. Se describen ejemplos de dichos 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], que actualmente utilizan 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 representar gráficamente 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 tubos 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 pulsos rápidos , con tiempos de subida y bajada inferiores a un nanosegundo y una tensión y corriente de salida elevadas . En ocasiones se utilizan como amplificadores en el rango de frecuencias de microondas , aunque este uso no es generalizado: cuando se utilizan para este fin, se denominan "Triodos de tiempo de tránsito de avalancha controlados" ( CATT ).

Circuitos de conmutación de modo avalancha

La conmutación en modo avalancha se basa en la multiplicación por 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 ruptura 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 por avalancha.
• Puede proporcionar corrientes de salida muy altas, ya que las corrientes grandes pueden ser controladas por otras muy pequeñas, nuevamente debido a la multiplicación de avalancha.

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

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

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

Circuito de disparo 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 alimenta al colector a través de un diodo de conmutación rápida , posiblemente después de ser moldeada por una red de moldeo 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 también 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 de la tensión de control . Sin embargo, este circuito de activación requiere un diodo capaz de resistir altas tensiones inversas y conmutar muy rápido, características que son muy difíciles de lograr en el mismo diodo , por lo tanto, rara vez se ve en circuitos de transistores de avalancha modernos. ${\displaystyle D_{S}}$ ${\displaystyle C_{ob}}$
• Circuito de entrada de disparo de base: la señal de disparo de entrada se alimenta directamente a la base a través de un diodo de conmutación rápida , posiblemente después de ser moldeada por una red de moldeo de pulsos. Esta forma de controlar un transistor de avalancha se empleó 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: esto causa un tiempo de retardo bastante grande, dependiente del voltaje de entrada, que se analizó en detalle en el artículo Spirito (1974). Sin embargo, el voltaje inverso requerido para el diodo de alimentación es mucho menor con respecto a los diodos que se utilizan en circuitos de entrada de disparo de colector, y dado que los diodos Schottky ultrarrápidos se encuentran de manera fácil y económica, este es el circuito controlador empleado en la mayoría de los circuitos de transistores de avalancha modernos. Esta es también la razón por la que el diodo en los siguientes circuitos aplicativos se simboliza como un diodo Schottky. ${\displaystyle D_{S}}$ ${\displaystyle C_{ib}}$ ${\displaystyle D_{S}}$

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

Los dos pulsadores de avalancha descritos 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 sola salida, se puede encontrar en la referencia Millman & Taub (1965). La resistencia recarga el condensador o la línea de transmisión (es decir, los componentes de almacenamiento de energía) después de la conmutación. Por lo general, tiene una resistencia alta para limitar la corriente estática del colector, por lo que el proceso de recarga es lento. A veces, esta resistencia se reemplaza por un circuito electrónico que es capaz de cargar más rápido 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 activación aplicada al cable de base del transistor de avalancha provoca la ruptura de avalancha entre el cable del colector y el del emisor. El condensador comienza a descargarse por 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 corriente de descarga RC simple , 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 pico depende del tamaño del condensador : cuando su valor se eleva por encima de unos pocos cientos de picofaradios, el transistor entra en el modo de avalancha de segunda ruptura y las corrientes pico 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 activación aplicada al cable base del transistor de avalancha provoca la ruptura de avalancha entre el cable del colector y el del emisor. El rápido tiempo de subida 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 haya 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 capacitor recortador ) 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. aumentando su voltaje de suministro de energía hasta que comience una oscilación de relajación , o ${\displaystyle V_{CC}}$
2. conectando la resistencia de base a un voltaje de polarización de base positivo y de esta manera iniciando forzosamente la ruptura por 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 descritos de multivibradores , una razón importante es que requieren dos transistores de avalancha, uno trabajando continuamente en régimen de ruptura de avalancha, y esto puede dar serios problemas desde el punto de vista de la disipación de potencia y la vida útil del dispositivo.

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

El triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlada (CATT)

La amplificación en modo avalancha se basa en la multiplicación de avalancha como conmutación de modo avalancha. Sin embargo, para este modo de funcionamiento, 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. En 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 por avalancha por la misma razón.

Estos dos requisitos implican que un dispositivo utilizado para la amplificación necesita una estructura física diferente a la de un transistor de avalancha típico. El triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlado (CATT), diseñado para la amplificación de microondas , tiene una región ligeramente dopada bastante grande entre las regiones de base y colector, lo que le da al dispositivo una tensión de ruptura colector-emisor bastante alta en comparación con los transistores bipolares de la misma geometría. El mecanismo de amplificación de corriente es el mismo del transistor de avalancha, es decir, generación de portadora por ionización por 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 de 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 avalancha de Miller M está limitado a aproximadamente 10.
2. El efecto del tiempo de tránsito mantiene este coeficiente casi constante e independiente del voltaje del colector al emisor.

La teoría de este tipo de transistor de avalancha se describe completamente en el artículo Eshbach, Se Puan & 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 ampliamente ya que requiere voltajes superiores a 200 voltios para funcionar correctamente, mientras que los FET de arseniuro de galio u otros 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 es un transistor con unión colector-base IMPATT .

Esquema de un amplificador de microondas CATT .

Véase también

• Diodo de avalancha

Notas

1. "Linear Technology AN47" Archivado el 20 de marzo de 2012 en Wayback Machine , Técnicas de amplificadores de alta velocidad, 1991, Apéndice D: Medición de la respuesta de la sonda al osciloscopio.
2. "Tecnología lineal AN94", Verificación de la velocidad de respuesta para amplificadores de banda ancha La domesticación de la velocidad de respuesta
3. iceNINE Tech: Generador de pulsos casero realmente rápido

Referencias

• Baker, R. Jacob (1991), "Generación de pulsos de alto voltaje mediante una segunda ruptura en modo de corriente 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 disparadores 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 las secciones 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 de modo de avalancha".
• El transistor de avalancha ZTX413 Zetex Semiconductor Design Note 24, octubre de 1995.
• Hoja de datos del transistor de avalancha ZTX413 de Zetex Semiconductor, marzo de 1994.
• El transistor de modo avalancha ZTX415 Zetex Semiconductors Nota de aplicación 8, enero de 1996.

Bibliografía

• Ebers, JJ y Miller, SL (1955), "Transistores de avalancha de unión aliada" (PDF) , Bell System Technical Journal , 34 (5): 883–902, doi :10.1002/j.1538-7305.1955.tb03783.x. El primer artículo que analiza el uso de transistores de unión bipolar en la región de avalancha.
• Kennedy, DP; O'Brien, RR (1966), "Cálculos de ruptura por avalancha para una unión pn plana", IBM Journal of Research and Development , 10 (3): 213–219, doi :10.1147/rd.103.0213Un 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), "Ruptura por avalancha 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 pulsos " es un libro muy escaso que vale la pena mirar, especialmente para el lector ruso: cobertura en profundidad 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 de avalancha y tiristores. Teoría y aplicaciones ": un libro reciente sobre el mismo tema.

Enlaces externos

Teoría

• Carrol, JE; Winstanley, HC (1974), "Mejoras de transistores utilizando un colector IMPATT", Electronics Letters , 10 (24), IEEE : 516–518, Bibcode :1974ElL....10..516W, doi :10.1049/el:19740410^{[ enlace roto ]} . Un artículo que propone y describe el IMPISTOR , un dispositivo semiconductor similar al CATT.
• Дьяконов (Dyakonov), Владимир Павлович (Vladimir Pavlovich) (2004a), "Анализ статических вольтамперных характеристик диодов и транзисторов с м лавинного artículo (Análisis de las características voltamperométricas estáticas de diodos y transistores, incluida la ruptura por avalancha)", Exponenta.ru , archivado desde el original el 2006-10-09 , consultado el 2006-12-09Un artículo que analiza la característica voltamperométrica de diodos y transistores utilizando el programa de álgebra computacional Mathematica .
• Дьяконов (Dyakonov), Владимир Павлович (Vladimir Pavlovich) (2004b), "Расчет параметров импульсов емкостного релаксатора на лавинном транзисторе (Cálculo de los parámetros del pulso en función de la capacidad en un oscilador de relajación de transistor de avalancha)", Exponenta.ru , archivado desde el original el 16 de octubre de 2006 , consultado el 9 de diciembre de 2006Un artículo sobre el diseño de un oscilador de relajación de transistor de avalancha utilizando el programa de álgebra computacional Mathematica
• Hamilton, Douglas J.; Gibbons, James F.; Shockley, Walter (1959), "Principios físicos de los circuitos de pulsos de transistores de avalancha", Conferencia de circuitos de estado sólido de la IRE, volumen II , págs. 92-93, doi : 10.1109/ISSCC.1959.1157029, S2CID  51672873Una breve descripción de los principios físicos básicos de los circuitos de transistores de avalancha: instructiva e interesante pero de "acceso restringido".
• Huang, Jack ST (1967), "Estudio de la estabilidad de circuitos de conmutación de transistores en la región de avalancha", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 2 (1): 10–21, Bibcode :1967IJSSC...2...10H, doi :10.1109/jssc.1967.1049775. Un estudio teórico de la estabilidad de un transistor polarizado en la región de avalancha (acceso restringido).
• Keshavarz, AA; Raney, CW; Campbell, DC (1 de agosto de 1993), Informe SAND--93-0241C. Un modelo de ruptura para el transistor bipolar para su uso con simuladores de circuitos (PDF) , Sandia National LaboratoriesDisponible en la Oficina de Información Científica y Técnica del Departamento de Energía de los EE. UU. Un informe que describe un modelo de transistor capaz de incluir efectos de avalancha en simulaciones SPICE .
• Kloosterman, WJ; De Graaff, HC (1989), "Multiplicación por avalancha en un modelo de transistor bipolar compacto para simulación de circuitos", IEEE Transactions on Electron Devices , 36 (7), IEEE : 1376–1380, Bibcode :1989ITED...36.1376K, doi :10.1109/16.30944Un artículo que describe el modelo SPICE de Mextram desde el punto de vista de la simulación del comportamiento de avalanchas. Para obtener una copia gratuita, que se encuentra en la página de inicio de Mextram de NXP, consulte aquí ^{[ enlace inactivo permanente ]} .
• Rickelt, M.; Rein, HM (2002), "Un nuevo modelo de transistor para simular efectos de avería de avalancha en circuitos bipolares de Si", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 37 (9), IEEE : 1184–1197, Bibcode :2002IJSSC...2.1184 R, doi :10.1109/JSSC.2002.801197Un artículo que describe un modelo de transistor para simulación de circuitos bipolares que incluye efectos de avalancha (acceso restringido).
• Jochen Riks "Avalanche-Transistor" (en alemán). Breve descripción de los principios de funcionamiento del transistor de avalancha, parte del curso "Impulsschaltungen F-Praktikum EXP 10", junio de 1996, Fachschaft Physik Uni Düsseldorf.
• Spirito, Paolo (1968), "Características de voltaje y corriente continua de transistores en la región de avalancha", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 3 (2): 194–195, Bibcode :1968IJSSC...3..194S, doi :10.1109/jssc.1968.1049869Un artículo que propone un método gráfico para trazar la característica estática de un transistor de avalancha (acceso restringido).
• Spirito, Paolo (1971), "Comportamiento estático y dinámico de transistores en la región de avalancha", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 6 (2): 83–87, Bibcode :1971IJSSC...6...83S, doi :10.1109/jssc.1971.1049655. Un artículo que profundiza en el estudio del transistor de avalancha mediante un método gráfico propuesto en el trabajo anterior (acceso restringido).
• Spirito, Paolo (1974), "Sobre el retardo de disparo de los transistores de avalancha", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 9 (5): 307–309, Bibcode :1974IJSSC...9..307S, doi :10.1109/jssc.1974.1050518. Artículo que analiza el tiempo de retardo de disparo de transistores de avalancha mediante análisis numérico (acceso restringido).
• Spirito, Paolo; Vitale, GF (1972), "Un análisis del comportamiento dinámico de circuitos de conmutación utilizando transistores de avalancha", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 7 (4): 315–320, Bibcode :1972IJSSC...7..315S, doi :10.1109/jssc.1972.1050310. Artículo en el que se deriva un modelo analítico del comportamiento de un transistor de avalancha después de aproximaciones adecuadas (acceso restringido).

Aplicaciones

• Biddle, Wade; Lonobile, David (1997), "Desarrollo de circuitos de deflexión de barrido mediante diseño de circuitos asistido por computadora para la cámara de rayas multicanal OMEGA" (PDF) , LLE Review , 73 : 6–14Un artículo que describe un generador de barrido rápido para una cámara de rayos construido utilizando circuitos de transistores de avalancha conectados en serie.
• Chaplin, GBB (1958), "Un método para diseñar circuitos de avalancha de transistores con aplicación a un osciloscopio de transistores sensible", Conferencia de circuitos de estado sólido de la IRE, volumen I , págs. 21-23, doi :10.1109/ISSCC.1958.1155606. Un artículo que describe una aplicación de transistores de avalancha al diseño de un osciloscopio de muestreo: resumen disponible, el artículo completo es de "acceso restringido".
• Fulkerson, E. Stephen; Norman, Douglas C.; Booth, Rex (28 de mayo de 1997), Informe UCRL-JC--125874 - Control de células de Pockels mediante transistores de avalancha, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore^{[ enlace muerto permanente ]} . Disponible en la Oficina de Información Científica y Técnica del Departamento de Energía de los EE. UU. Un informe que describe el diseño de un controlador para los interruptores Q de las celdas de Pockels .
• Holme, Andrew (2006), Generador de pulsos de transistores de avalancha, archivado desde el original el 6 de mayo de 2008 , consultado el 23 de abril de 2008Un proyecto, inspirado en las notas de aplicación de tecnología lineal AN72 y AN94 de Jim Williams, de un multivibrador astable con transistor de avalancha con esquemas, formas de onda y fotografías del diseño.
• Kilpelä, Ari (2004), Técnicas de telémetro láser de tiempo de vuelo pulsado para aplicaciones de medición rápidas y de alta precisión, Acta Universitatis Ouluensis Technica, vol. 197, Oolu: Universidad de Oulu , ISBN 978-951-42-7261-5. Tesis académica presentada con el asentimiento de la Facultad de Tecnología. Tesis doctoral que describe un radar láser TOF (Time Of Flight) y su construcción utilizando un pulsador de transistor de avalancha.
• Kilpelä, Ari; Kostamovaara, Juha (1997), "Pulsador láser para un radar láser de tiempo de vuelo", Review of Scientific Instruments , 68 (6), The American Institute of Physics: 2253–2258, Bibcode :1997RScI...68.2253K, doi :10.1063/1.1148133, archivado desde el original el 2011-07-19 , consultado el 2011-02-21(Versión preimpresa aquí). Artículo que describe un pulsador de transistor de avalancha y su uso como controlador láser en un radar láser .
• Página de inicio de NXP Mextram Un repositorio muy rico de documentos sobre el modelo SPICE del transistor de unión bipolar Mextram , capaz de simular el comportamiento de ruptura por avalancha .
• "Operación del diodo láser pulsado SPL LLxx", "Detección de distancias mediante diodos láser pulsados", Notas de aplicación de OSRAM Opto Semiconductors GmbH , 10 de septiembre de 2004. Dos notas de aplicación de Osram Opto Semiconductors que describen la operación pulsada de un diodo láser , utilizando transistores de avalancha y otros tipos de controladores.
• Pellegrin, JL (septiembre de 1969), SLAC-PUB-0669 - Incremento de la estabilidad de los circuitos de transistores de avalancha en serie, Stanford Linear Accelerator Center , archivado desde el original el 26 de diciembre de 2004Un artículo que describe un método para mejorar el rendimiento de bancos de circuitos de transistores de avalancha conectados en serie.
• Williams, Jim (2003), "La domesticación de la manada", EDN Magazine (25 de septiembre): 57–65, archivado desde el original el 28 de junio de 2006(para obtener una copia en formato PDF, consulte aquí). Un artículo detallado que describe la construcción y el rendimiento de un generador de pulsos de predisparo con transistor de avalancha para probar la velocidad de respuesta de amplificadores operacionales muy rápidos. También apareció bajo el título "Slew Rate Verification for Wideband Amplifiers - The Taming of the Slew", nota de aplicación AN94, Linear Technology, mayo de 2003. Consulte también, del mismo autor, la nota de aplicación AN47 de Linear Technology, High speed Amplifier Techniques", agosto de 1991, donde se detalla un circuito astable similar al descrito por Holme en el apéndice D, páginas 93-95.

Varia

• Página web académica de R. Jacob Baker en la Universidad de Nevada, Las Vegas . Colaborador en la teoría y las 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 en la Universidad de Oulu . Investigador que trabaja en la teoría y las aplicaciones de los circuitos con transistores de avalancha.