Articulo de referencia

transistor de unión bipolar

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 e...

Caja con 3 cables, uno con un chip grande de silicio; los otros se conectan al chip con cables.
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 . En cambio, 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 entre los otros dos terminales, lo que hace que el dispositivo sea capaz de amplificar o conmutar señales .

Los transistores bipolares de unión (BJT) utilizan dos uniones p-n entre dos tipos de semiconductores , de tipo n y de tipo p, que son regiones en un monocristal . Estas uniones se pueden crear de diversas maneras, como modificando el dopaje del material semiconductor durante su crecimiento, depositando gránulos metálicos para formar uniones de aleación o mediante métodos como la difusión de sustancias dopantes de tipo n y p en el cristal. La superior predictibilidad y el rendimiento de los transistores de unión desplazaron rápidamente al transistor de contacto puntual original . Los transistores de difusión, junto con otros componentes, forman parte de circuitos integrados para funciones analógicas y digitales. Se pueden fabricar cientos de transistores bipolares de unión en un solo circuito a un coste muy bajo.

Los circuitos integrados de transistores bipolares fueron los principales componentes activos de una generación de ordenadores centrales y minicomputadoras , pero actualmente los sistemas informáticos utilizan circuitos integrados de semiconductores de óxido metálico complementario ( CMOS ) basados ​​en transistores de efecto de campo (FET). Los transistores bipolares todavía se utilizan para la amplificación de señales, la conmutación y en circuitos integrados de señal mixta que emplean BiCMOS . Existen tipos especializados para interruptores de alta tensión y alta corriente, o para amplificadores de radiofrecuencia (RF).

Historia

El transistor bipolar de contacto puntual fue inventado en diciembre de 1947 [ 1 ] 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, [ 2 ] fue durante tres décadas el dispositivo preferido en el diseño de circuitos discretos e integrados .

Transistores de germanio

El transistor de germanio fue más común en las décadas de 1950 y 1960, pero tiene una mayor tendencia a presentar sobrecalentamiento . Dado que las uniones pn de germanio tienen una polarización directa menor que el silicio, los transistores de germanio se activan a un voltaje más bajo.

Técnicas de fabricación primitivas

Se desarrollaron varios métodos de fabricación de transistores bipolares. [ 3 ]

Function

BJTs exist as PNP and NPN types, based on the doping types of the three main terminal regions. An NPN transistor comprises two semiconductor junctions that share a thin p-doped region, and a PNP transistor comprises two semiconductor junctions that share a thin n-doped region. N-type means doped with impurities (such as phosphorus or arsenic) that provide mobile electrons, while p-type means doped with impurities (such as boron) that provide holes that readily accept electrons.

NPN BJT with forward-biased B–E junction and reverse-biased B–C junction

Charge flow in a BJT is due to diffusion of charge carriers (electrons and holes) across a junction between two regions of different charge carrier concentration. The regions of a BJT are called emitter, base, and collector.[a] A discrete transistor has three leads for connection to these regions. Typically, the emitter region is heavily doped compared to the other two layers, and the collector is doped more lightly (typically ten times lighter[21]) than the base. By design, most of the BJT collector current is due to the flow of charge carriers injected from a heavily doped emitter into the base where they are minority carriers (electrons in NPNs, holes in PNPs) that diffuse toward the collector, so BJTs are classified as minority-carrier devices.

En condiciones de funcionamiento típicas, la unión base-emisor está polarizada en directa , lo que significa que el lado dopado con tipo p de la unión tiene un potencial más positivo que el lado dopado con tipo n, y la unión base-colector está polarizada en inversa . Cuando se aplica una polarización directa a la unión base-emisor, se altera el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repulsivo 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 hacia 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 alcanzar 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 un tiempo mucho menor que la vida útil de los portadores minoritarios del semiconductor. Una base ligeramente dopada garantiza bajas tasas de recombinación. 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 la inyección de portadores desde el colector a la base es insignificante; sin embargo, los portadores que se inyectan en la base desde el emisor y se difunden hasta alcanzar la región de agotamiento colector-base son arrastrados hacia el colector por el campo eléctrico en dicha región. 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 la tensión base-emisor (control de tensión). Estas perspectivas están relacionadas por la relación corriente-tensión de la unión base-emisor, que es la curva corriente-tensión exponencial habitual de una unión ap-n (diodo). [ 22 ]

La explicación de la corriente del colector es el gradiente de concentración de portadores minoritarios en la región base. [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ] 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 los portadores mayoritarios y minoritarios en exceso fluyen a la misma velocidad) están determinadas en efecto por los portadores minoritarios en exceso.

Detailed transistor models of transistor action, such as the Gummel–Poon model, account for the distribution of this charge explicitly to explain transistor behavior more exactly.[25] The charge-control view easily handles phototransistors, where minority carriers in the base region are created by the absorption of photons, and handles the dynamics of turn-off, or recovery time, which depends on charge in the base region recombining. However, because base charge is not a signal that is visible at the terminals, the current- and voltage-control views are generally used in circuit design and analysis.

In analog circuit design, the current-control view is sometimes used because it is approximately linear. That is, the collector current is approximately βF{\displaystyle \beta _{\text{F}}} times the base current. Some basic circuits can be designed by assuming that the base–emitter voltage is approximately constant and that collector current is β times the base current. However, to accurately and reliably design production BJT circuits, the voltage-control model (e.g. the Ebers–Moll model) is required.[22] The voltage-control model requires an exponential function to be taken into account, but when it is linearized such that the transistor can be modeled as a transconductance, as in the Ebers–Moll model, design for circuits such as differential amplifiers again becomes a mostly linear problem, so the voltage-control view is often preferred. For translinear circuits, in which the exponential I–V curve is key to the operation, the transistors are usually modeled as voltage-controlled current sources whose transconductance is proportional to their collector current. In general, transistor-level circuit analysis is performed using SPICE or a comparable analog-circuit simulator, so mathematical model complexity is usually not of much concern to the designer, but a simplified view of the characteristics allows designs to be created following a logical process.

Turn-on, turn-off, and storage delay

Bipolar transistors, and particularly power transistors, have long base-storage times when they are driven into saturation; the base storage limits turn-off time in switching applications. A Baker clamp can prevent the transistor from heavily saturating, which reduces the amount of charge stored in the base and thus improves switching time.

Transistor characteristics: alpha (α) and beta (β)

The proportion of carriers able to cross the base and reach the collector is a measure of the BJT efficiency. The heavy doping of the emitter region and light doping of the base region causes many more electrons to be injected from the emitter into the base than holes to be injected from the base into the emitter. A thin and lightly doped base region means that most of the minority carriers that are injected into the base will diffuse to the collector and not recombine.

Common-emitter current gain

The common-emitter current gain is represented by βF or the h-parameterhFE; it is approximately the ratio of the collector's direct current to the base's direct current in forward-active region. (The F subscript is used to indicate the forward-active mode of operation.) It is typically greater than 50 for small-signal transistors, but can be smaller in transistors designed for high-power applications. Both injection efficiency and recombination in the base reduce the BJT gain.

Common-base current gain

Another useful characteristic is the common-base current gain, αF. The common-base current gain is approximately the gain of current from emitter to collector in the forward-active region. This ratio usually has a value close to unity; between 0.980 and 0.998. It is less than unity due to recombination of charge carriers as they cross the base region.

Alpha and beta are related by the following identities:

αF=ICIE,βF=ICIB,αF=βF1+βFβF=αF1αF.{\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 is a convenient figure of merit to describe the performance of a bipolar transistor, but is not a fundamental physical property of the device. Bipolar transistors can be considered voltage-controlled devices (fundamentally the collector current is controlled by the base–emitter voltage; the base current could be considered a defect and is controlled by the characteristics of the base–emitter junction and recombination in the base). In many designs beta is assumed high enough so that base current has a negligible effect on the circuit. In some circuits (generally switching circuits), sufficient base current is supplied so that even the lowest beta value a particular device may have will still allow the required collector current to flow.

Structure

Simplified cross section of a planar NPN bipolar junction transistor

Los transistores bipolares (BJT) constan de tres regiones semiconductoras con dopaje diferente: la región emisora , la región base y la región colectora . 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, debidamente etiquetado como emisor (E), base (B) y colector (C).

La base se ubica 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 prácticamente imposible que los electrones inyectados en la región de la base escapen sin ser recolectados, lo que resulta en un valor de α muy cercano a la unidad y, por lo tanto, le otorga al transistor un valor de β elevado. Una vista en sección transversal de un transistor bipolar de unión (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, generalmente no es un dispositivo simétrico. Esto significa que al intercambiar el colector y el emisor, el transistor abandona el modo activo directo y comienza a operar en modo inverso. Dado que la estructura interna del transistor suele estar optimizada para el funcionamiento en modo directo, al intercambiar el colector y el emisor, los valores de α y β en operación inversa son mucho menores que en operación directa; a menudo, el α del modo inverso es inferior a 0,5. La falta de simetría se debe principalmente a las proporciones de dopaje del emisor y el colector. El emisor está fuertemente dopado, mientras que el colector está ligeramente dopado, lo que permite aplicar una gran tensión de polarización inversa antes de que se produzca la ruptura de la unión colector-base. La unión colector-base está polarizada inversamente en funcionamiento normal. La razón por la que el emisor está fuertemente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección del emisor: la relación entre los portadores inyectados por el emisor y los inyectados por la base. Para una alta ganancia de corriente, la mayoría de los portadores inyectados en la unión emisor-base deben provenir del emisor.

Chip de un transistor NPN 2N2222: los materiales NPN están dispuestos en capas, con el colector en la parte inferior. Los cables de conexión unen la metalización de la base al terminal izquierdo y el emisor al derecho. El colector se conecta a la carcasa mediante un tercer terminal externo.

Los transistores bipolares "laterales" de bajo rendimiento que a veces se utilizan en circuitos integrados bipolares y MOS a veces se diseñan de forma simétrica, es decir, sin diferencia entre el funcionamiento en sentido directo e inverso.

Pequeñas variaciones en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor provocan cambios significativos en la corriente entre el emisor y el colector . Este efecto puede utilizarse para amplificar la tensión o la corriente de entrada. Los transistores bipolares (BJT) pueden considerarse fuentes de corriente controladas por tensión , pero, debido a su baja impedancia en la base, se caracterizan más simplemente como fuentes de corriente controladas por corriente o amplificadores de corriente.

Los primeros transistores se fabricaban con germanio , pero la mayoría de los transistores bipolares modernos se fabrican con silicio . Una minoría significativa también se fabrica ahora con arseniuro de galio , especialmente para aplicaciones de muy alta velocidad (véase 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 circuitos ultrarrápidos modernos, principalmente en sistemas de RF. [ 26 ] [ 27 ]

Símbolo de transistor bipolar NPN con dirección de flujo de corriente

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

Regiones de operación

Los transistores bipolares tienen cuatro regiones distintas de operación, definidas por las polarizaciones de la unión BJT: [ 28 ] [ 29 ]

Activa hacia adelante (o simplemente activa )
La unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector en inversa. La mayoría de los transistores bipolares están diseñados para ofrecer la mayor ganancia de corriente en configuración de emisor común, βF , en modo activo directo. En este caso, la corriente colector-emisor es aproximadamente proporcional a la corriente de base, pero mucho mayor para pequeñas variaciones de la corriente de base.
Reversamente activa (o inversamente 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 emisor y colector intercambian sus funciones. Dado que la mayoría de los transistores bipolares están diseñados para maximizar la ganancia de corriente en el modo activo directo, la βF en el modo inverso es varias veces menor (de 2 a 3 veces menor que la del transistor de germanio convencional). Este modo de transistor se utiliza con poca frecuencia, considerándose generalmente solo para condiciones de seguridad ante fallos y algunos tipos de lógica bipolar . La tensión de ruptura en polarización inversa a la base puede ser un orden de magnitud menor en esta región.
Saturación
Con ambas uniones polarizadas directamente, un transistor bipolar (BJT) se encuentra en modo de saturación y facilita la conducción de alta corriente desde el emisor al colector (o en sentido contrario en el caso de un transistor NPN, con portadores de carga negativa fluyendo del emisor al colector). Este modo corresponde a un estado lógico de "encendido" o a un interruptor cerrado.
Cierre
En el estado de corte, se presentan condiciones de polarización opuestas a la saturación (ambas uniones polarizadas inversamente). La corriente es muy baja, lo que corresponde a un estado lógico de "apagado" o a un interruptor abierto.
Características de entrada
Características de salida
Características de entrada y salida de un amplificador con transistor de silicio de base común.

Si bien estas regiones están bien definidas para voltajes aplicados suficientemente grandes, se superponen ligeramente para polarizaciones pequeñas (de menos de unos pocos cientos de milivoltios). Por ejemplo, en la configuración típica de emisor conectado a tierra de un transistor bipolar NPN utilizado como interruptor de polarización descendente en lógica digital, el estado de "apagado" nunca implica una unión polarizada inversamente porque el voltaje de base nunca cae por debajo de tierra; sin embargo, la polarización directa es lo suficientemente cercana a cero como para que prácticamente no circule corriente, por lo que este extremo de la región activa directa puede considerarse la región de corte.

Transistores de modo activo en circuitos

Estructura y uso del transistor NPN; flecha según el 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 de flujo de corriente y voltaje aplicado invertidas). Este voltaje aplicado provoca que la unión p-n inferior se polarice directamente, permitiendo 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 del colector I C . El resto de los electrones se recombinan con los huecos, los portadores mayoritarios en la base, creando una corriente a través de la conexión de la base para formar la corriente de la 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 de los 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 es en la dirección opuesta a las flechas porque los electrones transportan carga eléctrica negativa . En modo activo, la relación entre la corriente del colector y la corriente de la base se denomina ganancia de corriente continua . Esta ganancia suele ser de 100 o más, pero los diseños de circuitos robustos no dependen del valor exacto (por ejemplo, véase el amplificador operacional ). El valor de esta ganancia para señales de CC se denominahFE{\displaystyle h_{\text{FE}}}y el valor de esta ganancia para señales pequeñas se denominahfe{\displaystyle h_{\text{fe}}}Es decir, cuando se produce un pequeño cambio en las corrientes y ha transcurrido el tiempo suficiente para que la nueva condición alcance un estado estacionario.hfe{\displaystyle h_{\text{fe}}}es la relación entre el cambio en la corriente del colector y el cambio en la corriente de la base. El símboloβ{\displaystyle \beta }se utiliza para amboshFE{\displaystyle h_{\text{FE}}}yhfe{\displaystyle h_{\text{fe}}}[ 22 ] : 62–66

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

Teoría y modelización

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

Los transistores bipolares (BJT) pueden considerarse como dos diodos (uniones p-n) que comparten una región común por la que pueden moverse los portadores minoritarios. Un BJT PNP funciona como dos diodos que comparten una región de cátodo de tipo N, y un BJT NPN como dos diodos que comparten una región de ánodo de tipo P. Conectar dos diodos con cables no forma un BJT, ya que los portadores minoritarios no pueden pasar de una unión p-n a la otra a través del cable.

Ambos tipos de transistores bipolares (BJT) funcionan permitiendo que una pequeña corriente de entrada a la base controle una salida amplificada desde el colector. Como resultado, el BJT actúa como un buen interruptor controlado por su entrada de base. El BJT también funciona como 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 construir amplificadores potentes con diversas aplicaciones.

En la siguiente discusión, nos centraremos en el transistor bipolar NPN. En lo que se denomina modo activo, la tensión base-emisorVSER{\displaystyle V_{\text{BE}}}y voltaje colector-baseVCB{\displaystyle V_{\text{CB}}}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 emisora ​​de tipo n polarizada directamente hacia la base de tipo p, donde se difunden como portadores minoritarios hacia el colector de tipo n polarizado inversamente y son arrastrados por el campo eléctrico en la unión colector-base polarizada inversamente.

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

Modelos de señales grandes

En 1954, Jewell James Ebers y John L. Moll introdujeron su modelo matemático de corrientes de transistores: [ 30 ]

Modelo de Ebers-Moll

Modelo de Ebers - Moll para un transistor NPN. [ 31 ] I B , I C e I E son las corrientes de base, colector y emisor; I CD e I ED son las corrientes de diodo de 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 está polarizado inversamente, 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 emisor y colector de CC en modo activo se modelan adecuadamente mediante una aproximación al modelo de Ebers-Moll:

Imi=IES(miVSERVT1)Ido=αFImiIB=(1αF)Imi{\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 básica se produce principalmente por difusión (véase la ley de Fick ) y

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

dónde

  • VT{\displaystyle V_{\text{T}}}es el voltaje térmicokT/q{\displaystyle kT/q} (approximately 26 mV at 300 K ≈ room temperature).
  • IE{\displaystyle I_{\text{E}}} is the emitter current
  • IC{\displaystyle I_{\text{C}}} is the collector current
  • αF{\displaystyle \alpha _{\text{F}}} is the common base forward short-circuit current gain (0.98 to 0.998)
  • IES{\displaystyle I_{\text{ES}}} is the reverse saturation current of the base–emitter diode (on the order of 10−15 to 10−12 amperes)
  • VBE{\displaystyle V_{\text{BE}}} is the base–emitter voltage
  • Dn{\displaystyle D_{n}} is the diffusion constant for electrons in the p-type base
  • W is the base width

The α{\displaystyle \alpha } and forward β{\displaystyle \beta } parameters are as described previously. A reverse β{\displaystyle \beta } is sometimes included in the model.

The unapproximated EbersMoll equations used to describe the three currents in any operating region are given below. These equations are based on the transport model for a bipolar junction transistor.[32]

iC=IS[(eVBEVTeVBCVT)1βR(eVBCVT1)]iB=IS[1βF(eVBEVT1)+1βR(eVBCVT1)]iE=IS[(eVBEVTeVBCVT)+1βF(eVBEVT1)]{\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}}}

where

  • iC{\displaystyle i_{\text{C}}} is the collector current
  • iB{\displaystyle i_{\text{B}}} is the base current
  • iE{\displaystyle i_{\text{E}}} is the emitter current
  • βF{\displaystyle \beta _{\text{F}}} is the forward common emitter current gain (20 to 500)
  • βR{\displaystyle \beta _{\text{R}}} is the reverse common emitter current gain (0 to 20)
  • IS{\displaystyle I_{\text{S}}} is the reverse saturation current (on the order of 10−15 to 10−12 amperes)
  • VT{\displaystyle V_{\text{T}}} is the thermal voltage (approximately 26 mV at 300 K ≈ room temperature).
  • VBE{\displaystyle V_{\text{BE}}} is the base–emitter voltage
  • VBC{\displaystyle V_{\text{BC}}} is the base–collector voltage
Base-width modulation
Top: NPN base width for low collector–base reverse bias; Bottom: narrower NPN base width for large collector–base reverse bias. Hashed regions are depleted regions.

As the collector–base voltage (VCB=VCEVBE{\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}) varies, the collector–base depletion region varies in size. An increase in the collector–base voltage, for example, causes a greater reverse bias across the collector–base junction, increasing the collector–base depletion region width, and decreasing the width of the base. This variation in base width often is called the Early effect after its discoverer James M. Early.

Narrowing of the base width has two consequences:

  • There is a lesser chance for recombination within the "smaller" base region.
  • The charge gradient is increased across the base, and consequently, the current of minority carriers injected across the emitter junction increases.

Both factors increase the collector or "output" current of the transistor in response to an increase in the collector–base voltage.

Punchthrough

When the base–collector voltage reaches a certain (device-specific) value, the base–collector depletion region boundary meets the base–emitter depletion region boundary. When in this state the transistor effectively has no base. The device thus loses all gain when in this state.

Gummel–Poon charge-control model

El modelo de Gummel-Poon [ 33 ] es un modelo detallado de dinámica de transistores bipolares controlados por carga, que ha sido adoptado y desarrollado por otros para explicar la dinámica de transistores con mayor detalle que los modelos basados ​​en terminales típicos. [ 34 ] Este modelo también incluye la dependencia del transistorβ{\displaystyle \beta }-valores sobre los niveles de corriente continua en el transistor, que se suponen independientes de la corriente en el modelo de Ebers-Moll. [ 35 ]

Modelos de señales pequeñas

Modelo híbrido-pi

Modelo híbrido-pi

El modelo híbrido-pi es un modelo de circuito popular que se utiliza para analizar el comportamiento de pequeña señal y de CA de transistores bipolares de unión y de efecto de campo . A veces también se le denomina modelo de Giacoletto, ya que fue introducido por L.J. Giacoletto en 1969. El modelo puede ser bastante preciso para circuitos de baja frecuencia y se puede adaptar fácilmente a circuitos de alta frecuencia añadiendo las capacitancias interelectródicas adecuadas y otros elementos parásitos.

modelo de parámetros h

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

Otro modelo comúnmente utilizado para analizar circuitos BJT es el modelo de parámetros h , también conocido como modelo híbrido equivalente, estrechamente relacionado con el modelo híbrido-pi y el modelo de dos puertos de parámetros y , pero que utiliza la corriente de entrada y la tensión de salida como variables independientes, en lugar de las tensiones de entrada y salida. Esta red de dos puertos es particularmente adecuada para los BJT, ya que facilita el análisis del comportamiento del circuito y puede utilizarse para desarrollar modelos más precisos. Como se muestra, el término x en el modelo representa un terminal BJT diferente según la topología utilizada. Para el modo de emisor común, los distintos símbolos toman los siguientes valores específicos:

  • Terminal 1, base
  • Terminal 2, colector
  • Terminal 3 (común), emisor; dando x a e
  • i i , corriente base ( i b )
  • i o , corriente del colector ( i c )
  • V en , 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 del transistor (entrada) con respecto al valor de V CE (salida) . Suele ser muy pequeña y a menudo se desprecia (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 indicar ganancia de señal pequeña (CA), o más a menudo con letras mayúsculas para "FE" (especificado como h FE ) para indicar la ganancia de corriente "grande" o 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 tensión de colector típicas o graficarse como una función de la corriente del colector. Véase más abajo.
  • h ox = 1/ h oe , la impedancia de salida del transistor. El parámetro h oe generalmente 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 minúscula, lo que indica condiciones o análisis de CA. Para condiciones de CC, se especifican en mayúscula. Para la topología CE, se suele utilizar un modelo aproximado de parámetros h que simplifica aún más el análisis del circuito. Para ello, se omiten los parámetros h oe y h re (es decir, se establecen en infinito y cero, respectivamente). El modelo de parámetros h mostrado es adecuado para análisis de baja frecuencia y pequeña señal. Para análisis de alta frecuencia, deben añadirse 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 equivalente híbrido ( ver más arriba). Como con todos los parámetros h, la elección de minúsculas o mayúsculas para las letras que siguen a la "h" es significativa; las minúsculas indican parámetros de "señal pequeña", es decir, la pendiente de la relación particular; las mayúsculas implican valores de "señal grande" o CC , la relación de los voltajes o corrientes. En el caso del h FE , muy utilizado :

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

So hFE (or hFE) refers to the (total; DC) collector current divided by the base current, and is dimensionless. It is a parameter that varies somewhat with collector current, but is often approximated as a constant; it is normally specified at a typical collector current and voltage, or graphed as a function of collector current.

Had capital letters not been used for used in the subscript, i.e. if it were written hfe the parameter indicate small signal (AC) current gain, i.e. the slope of the Collector current versus Base current graph at a given point, which is often close to the hFE value unless the test frequency is high.

Industry models

The Gummel–Poon SPICE model is often used, but it suffers from several limitations. For instance, reverse breakdown of the base–emitter diode is not captured by the SGP (SPICE Gummel–Poon) model, neither are thermal effects (self-heating) or quasi-saturation.[36] These have been addressed in various more advanced models which either focus on specific cases of application (Mextram, HICUM, Modella) or are designed for universal usage (VBIC).[37][38][39][40]

Current direction conventions

By convention, the direction of current on diagrams is shown as the direction in which a positive charge would move. This is called conventional current. However, in actuality, current in metal conductors is[b] due to the flow of electrons. Because electrons carry a negative charge, they move in the direction opposite to conventional current. On the other hand, inside a bipolar transistor, currents can be composed of both positively charged holes and negatively charged electrons. In this article, current arrows are shown in the conventional direction, but labels for the movement of holes and electrons show their actual direction inside the transistor.

Arrow direction

The arrow on the symbol for bipolar transistors indicates the p–n junction between base and emitter and points in the direction in which conventional current travels.

Applications

The BJT remains a device that excels in some applications, such as discrete circuit design, due to the very wide selection of BJT types available, and because of its high transconductance and output resistance compared to MOSFETs.

The BJT is also the choice for demanding analog circuits, especially for very-high-frequency applications, such as radio-frequency circuits for wireless systems.

High-speed digital logic

Emitter-coupled logic (ECL) use BJTs.

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

Amplificadores

Uno de los primeros usos más destacados del transistor fue en productos de consumo como la radio de transistores , cuya producción comenzó en 1954. El uso de transistores en radios portátiles impulsó a una pequeña empresa japonesa llamada Tokyo Tsushin Kogyo KK a alcanzar gran notoriedad con su radio de transistores TR-55 , cuyo nombre la empresa pronto adoptaría: Sony . El posterior modelo de bolsillo Sony TR-63 y varios modelos más grandes de otros fabricantes consolidaron al transistor y la electrónica miniaturizada como elementos cruciales para el nuevo mercado de dispositivos portátiles de consumo durante las décadas siguientes.

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

sensores de temperatura

Debido a la conocida dependencia de la temperatura y la corriente del voltaje de la unión base-emisor polarizada directamente, el BJT se puede utilizar para medir la temperatura restando dos voltajes a dos corrientes de polarización diferentes en una relación conocida. [ 42 ]

convertidores logarítmicos

Dado que la tensión base-emisor varía con el logaritmo de las corrientes base-emisor y colector-emisor, un transistor bipolar (BJT) también puede utilizarse para calcular logaritmos y antilogaritmos. Un diodo también puede realizar estas funciones no lineales, pero el transistor ofrece mayor flexibilidad en el circuito.

generadores de impulsos de avalancha

Los transistores pueden diseñarse deliberadamente con una tensión de ruptura colector-emisor inferior a la tensión de ruptura colector-base. Si la unión emisor-base está polarizada inversamente, la tensión colector-emisor puede mantenerse justo por debajo de la tensión de ruptura. En cuanto la tensión de base aumenta y fluye corriente, se produce una avalancha y la ionización por impacto en la región de agotamiento colector-base inunda rápidamente la base con portadores, activando completamente el transistor. Siempre que los pulsos sean lo suficientemente cortos e infrecuentes como para no dañar el dispositivo, este efecto puede utilizarse para generar flancos descendentes muy pronunciados.

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

Véase también

Notas

  1. Consulte Transistor de contacto puntual para conocer el origen histórico de estos nombres.
  2. Algunos metales, como el aluminio, tienen bandas de huecos significativas. [ 41 ]

Referencias

  1. "1947: Invención del transistor de contacto puntual" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  2. "1948: Concepción del transistor de unión" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  3. Tercer caso de estudio: la llegada del estado sólido. Archivado el 27 de septiembre de 2007 en Wayback Machine (PDF).
  4. "Museo del Transistor, Galería fotográfica histórica de transistores, Tipo M1752 de Bell Labs" .
  5. Morris, Peter Robin (1990). "4.2". Historia de la industria mundial de semiconductores . Serie IEE History of Technology 12. Londres: Peter Peregrinus Ltd. pág. 29. ISBN  978-0-86341-227-1.
  6. "Galería fotográfica del Museo de Transistores RCA TA153" . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  7. Manual de transistores de conmutación de alta velocidad (2.ª ed.). Motorola. 1963. pág. 17.  .
  8. Jack Ward (2015). "Transistores de computadora de germanio históricos de Sprague" (PDF) . pág. 7. 
  9. Jack Ward (2015). "Transistores de computadora de germanio históricos de Sprague" (PDF) . pág. 9. 
  10. Museo del Transistor, Galería fotográfica histórica de transistores, Western Electric 3N22 .
  11. Maupin, JT (1957). "El transistor de potencia de tetrodo". IRE Transactions on Electron Devices . 4 (1): 1– 5. Bibcode : 1957ITED....4....1M . doi : 10.1109/T-ED.1957.14192 . S2CID 51668235 . 
  12. "Galería fotográfica del Museo de Transistores: Transistor de barrera superficial de germanio Philco A01" . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  13. "Galería fotográfica del Museo de Transistores: Transistor de barrera superficial de germanio" . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  14. Brar, B.; Sullivan, GJ; Asbeck, PM (2001). "Transistores bipolares de Herb". IEEE Transactions on Electron Devices . 48 (11): 2473– 2476. Bibcode : 2001ITED...48.2473B . doi : 10.1109/16.960370 .
  15. Bullis, WM; Runyan, WR (1967). "Influencia de las variaciones de movilidad y vida útil en los efectos del campo de deriva en dispositivos de unión de silicio". IEEE Transactions on Electron Devices . 14 (2): 75– 81. Bibcode : 1967ITED...14...75B . doi : 10.1109/T-ED.1967.15902 .
  16. "Galería fotográfica del Museo de Transistores: Prototipo de transistor de silicio-germanio de base difusa de Bell Labs" . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  17. Elmer A. Wolff. "Transistores de mesa de germanio" .
  18. "Semiconductores de estructura mesa: una introducción" .
  19. "Galería fotográfica del Museo de Transistores: Transistor planar de silicio Fairchild 2N1613 (Primeros Transistores)" . Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  20. "1960: El proceso de deposición epitaxial mejora el rendimiento de los transistores" . Museo de Historia de la Computación . Consultado el 22 de junio de 2023 .
  21. Chenming Calvin Hu (2010). Dispositivos semiconductores modernos para circuitos integrados .
  22. 1 2 3 4 Horowitz, Paul ; Hill, Winfield (1989). El arte de la electrónica (2.ª ed.). Cambridge University Press. ISBN  978-0-521-37095-0. Consultado el 22 de junio de 2023 .
  23. Liou, Juin Jei; Yuan, Jiann S. (1998). Física y simulación de dispositivos semiconductores . Springer. ISBN 978-0-306-45724-1.
  24. General Electric (1962). Manual de transistores (6.ª ed.). pág. 12. Bibcode : 1964trma.book.....C .  "Si se aplica el principio de neutralidad de carga espacial al análisis del transistor, resulta evidente que la corriente del colector se controla mediante la carga positiva (concentración de huecos) en la región de la base. ... Cuando se utiliza un transistor a frecuencias más altas, la limitación fundamental es el tiempo que tardan los portadores en difundirse a través de la región de la base..." (igual en la 4.ª y 5.ª edición).
  25. Antognetti, Paolo; Massobrio, Giuseppe (1993). Semiconductor Device Modeling with Spice . McGraw–Hill Professional. ISBN 978-0-07-134955-0.
  26. Morgan, DV; Williams, Robin H., eds. (1991). Física y tecnología de dispositivos de heteroestructuras . Londres: Institution of Electrical Engineers (Peter Peregrinus Ltd.). ISBN 978-0-86341-204-2.
  27. Ashburn, Peter (2003). Transistores bipolares de heterounión SiGe . Nueva York: Wiley. Capítulo 10. ISBN 978-0-470-84838-8.
  28. JIMBLOM. "Transistores: Modos de operación" . SparkFun Electronics . Consultado el 22 de junio de 2023 .
  29. "Esquema de la Lección 18: El transistor de unión bipolar (II) – Regímenes de operación" (PDF) . Primavera de 2007. Consultado el 22 de junio de 2023 .
  30. Ebers, J.; Moll, J. (1954). "Comportamiento de gran señal de transistores de unión". Actas del IRE . 42 (12): 1761– 1772. Bibcode : 1954PIRE...42.1761E . doi : 10.1109/jrproc.1954.274797 . S2CID 51672011 . 
  31. Sedra, Adel S.; Smith, Kenneth C. (1987). Circuitos microelectrónicos (2.ª ed.). Holt, Rinehart y Winston. pág . 903. ISBN   978-0-03-007328-1.
  32. Sedra, AS; Smith, KC (2004). Circuitos microelectrónicos (5.ª ed.). Nueva York: Oxford. Eqs. 4.103–4.110, p. 305. ISBN  978-0-19-514251-8.
  33. Gummel, HK; Poon, HC (1970). "Un modelo de control de carga integral de transistores bipolares". Bell System Technical Journal . 49 (5): 827– 852. Bibcode : 1970BSTJ...49..827G . doi : 10.1002/j.1538-7305.1970.tb01803.x .
  34. "Transistores de unión bipolar" . Archivado del original el 7 de febrero de 2009. Consultado el 10 de agosto de 2016 .
  35. AS Sedra; KC Smith (2004). Circuitos microelectrónicos (5.ª ed.). Nueva York: Oxford. pág . 509. ISBN   978-0-19-514251-8.
  36. "Descripción y detalles de derivación de VBIC" (PDF) . Guía del diseñador .
  37. "SmartSpice Analog Circuit Simulator" (PDF) . Silvaco. Archivado del original (PDF) el 5 de marzo de 2016. Consultado el 15 de enero de 2015 .
  38. Gennady Gildenblat, ed. (2010). Modelado compacto: principios, técnicas y aplicaciones . Springer Science & Business Media. Parte II: Modelos compactos de transistores de unión bipolar, pp. 167–267, que abarca Mextram y HiCuM en profundidad. ISBN  978-90-481-8614-3.
  39. Schröter, Michael (2010). Modelado compacto jerárquico de transistores bipolares con Hicum . World Scientific. ISBN 978-981-4273-21-3.
  40. "Modelos compactos para transistores bipolares, Berkner" (PDF) . Archivado del original (PDF) el 16 de enero de 2015. Recuperado el 16 de enero de 2015 .
  41. Ashcroft; Mermin (1976). Física del estado sólido (1.ª ed.). Holt, Rinehart y Winston. págs. 299–302 . ISBN   978-0030839931.
  42. "Los sensores de temperatura IC encuentran los puntos calientes" . analog.com . 21 de febrero de 2002. Consultado el 12 de enero de 2025 .
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