Transistor de unión bipolar

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Un transistor de unión bipolar (BJT) es un tipo de transistor que utiliza electrones y huecos de electrones como portadores de carga. Por el contrario, un transistor unipolar, como un transistor de efecto de campo, 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 amplificación o conmutación.

Los BJT usan dos uniones p-n entre dos tipos de semiconductores, tipo n y tipo p, que son regiones en un solo cristal de material. Las uniones se pueden hacer de varias maneras diferentes, como cambiar el dopaje del material semiconductor a medida que crece, depositando gránulos de metal para formar uniones de aleación, o mediante métodos tales como la difusión de sustancias dopantes de tipo n y tipo p en el cristal La previsibilidad y el rendimiento superiores de los transistores de unión desplazaron rápidamente al transistor original de punto de contacto. Los transistores difusos, junto con otros componentes, son elementos de circuitos integrados para funciones analógicas y digitales. Se pueden fabricar cientos de transistores de unión bipolar en un circuito a muy bajo costo.

Los circuitos integrados de transistores bipolares fueron los principales dispositivos activos de una generación de computadoras centrales y minicomputadoras, pero la mayoría de los sistemas informáticos ahora usan circuitos integrados CMOS que se basan en transistores de efecto de campo. Los transistores bipolares todavía se usan para la amplificación de señales, conmutación y en circuitos integrados de señal mixta que usan BiCMOS. Los tipos especializados se utilizan para interruptores de alto voltaje, para amplificadores de radiofrecuencia 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 se debe 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 por huecos cargados positivamente como por electrones cargados negativamente. En este artículo, las flechas de corriente se muestran en la dirección convencional, pero las etiquetas para el movimiento de huecos y electrones muestran su dirección real dentro del transistor.

Dirección de la flecha

La flecha en el símbolo de los transistores bipolares indica la unión p-n entre la base y el emisor y apunta en la dirección en la que viaja la corriente convencional.

Función

Los BJT existen como tipos PNP y NPN, según los tipos de dopaje de las tres regiones terminales principales. Un transistor NPN consta de dos uniones de semiconductores que comparten una región delgada dopada con p, y un transistor PNP comprende dos uniones de semiconductores que comparten una región delgada dopada con n. Tipo N significa dopado con impurezas (como fósforo o arsénico) que proporcionan electrones móviles, mientras que tipo p significa dopado con impurezas (como boro) que proporcionan huecos que aceptan fácilmente electrones.

NPN BJT con la unión B-E y la unión B-C con prejuicios hacia adelante

El flujo de carga en un BJT se debe a la difusión de los 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. Un transistor discreto tiene tres conductores para la conexión a estas regiones. Normalmente, la región del emisor está fuertemente dopada en comparación con las otras dos capas, y el colector está menos dopado (normalmente diez veces más ligero) que la base. Por diseño, la mayor parte de la corriente del colector BJT se debe al flujo de portadores de carga inyectados desde un emisor fuertemente dopado en la base donde son portadores minoritarios (electrones en NPN, huecos en PNP) que se difunden hacia el colector, por lo que los BJT se clasifican como dispositivos de portadores minoritarios.

En una operación típica, la unión base-emisor tiene polarización directa, lo que significa que el lado dopado p de la unión tiene un potencial más positivo que el lado dopado n, y la unión base-colector 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 de repulsión de la región de empobrecimiento del emisor. Esto permite que los portadores excitados térmicamente (electrones en NPN, huecos en PNP) se inyecten desde el emisor a la región base. Estos portadores crean una corriente de difusión a través de la base desde la región de alta concentración cerca del emisor hacia la región de baja concentración cerca del colector.

Para minimizar la fracción de portadores que se recombinan antes de llegar a la unión colector-base, la región de la base del transistor debe ser lo suficientemente delgada para que los portadores puedan difundirse a través de ella en mucho menos tiempo que la minoría del semiconductor. vida útil del portador. Tener una base ligeramente dopada asegura que las tasas de recombinación sean bajas. En particular, el espesor de la base debe ser mucho menor que la longitud de difusión de los soportes. La unión colector-base tiene polarización inversa, por lo que se produce una inyección de portadores insignificante desde el colector a la base, pero los portadores que se inyectan en la base desde el emisor y se difunden para llegar a la región de agotamiento del colector-base, son barridos hacia la base. colector por el campo eléctrico en la región de empobrecimiento. La delgada base compartida y el dopaje colector-emisor asimétrico son lo que diferencia a un transistor bipolar de dos diodos separados conectados en serie.

Control de tensión, corriente y carga

La corriente colector-emisor se puede considerar controlada por la corriente base-emisor (control de corriente) o por la tensión base-emisor (control de tensión). Estas vistas están relacionadas por la relación corriente-voltaje de la unión base-emisor, que es la curva corriente-tensión exponencial habitual de una unión p-n (diodo).

La explicación de la corriente de colector es el gradiente de concentración de portadores minoritarios en la región base. Debido a la inyección de bajo nivel (en la que hay muchos menos portadores en exceso que los portadores mayoritarios normales), las tasas de transporte ambipolar (en las que el exceso de portadores mayoritarios y minoritarios fluyen a la misma velocidad) está determinada en efecto por el exceso de portadores minoritarios.

Los modelos de transistor detallados de la acción del transistor, como el modelo de Gummel-Poon, explican la distribución de esta carga explícitamente para explicar el comportamiento del transistor con mayor precisión. La vista de control de carga maneja fácilmente los fototransistores, donde los portadores minoritarios en la región base se crean mediante la absorción de fotones, y maneja la dinámica del apagado o el tiempo de recuperación, que depende de la recombinación de la carga en la región base. Sin embargo, debido a que la carga base no es una señal visible en las terminales, las vistas de control de corriente y voltaje generalmente se usan en el diseño y análisis de circuitos.

En el diseño de circuito analógico, la vista de control actual se utiliza a veces porque es aproximadamente lineal. Es decir, la corriente del coleccionista es aproximadamente ${displaystyle beta _{text{F}}$ veces la corriente base. Algunos circuitos básicos se pueden diseñar asumiendo que el voltaje base-emitter es aproximadamente constante y que la corriente de coleccionista es β veces la corriente base. Sin embargo, para diseñar con precisión y fiabilidad los circuitos de producción BJT, se requiere el modelo de control de tensión (por ejemplo, Ebers–Moll). El modelo de control de tensión requiere que se tenga en cuenta una función exponencial, pero cuando se linealiza de tal manera que el transistor puede ser modelado como transconductancia, como en el modelo Ebers–Moll, el diseño para circuitos como amplificadores diferenciales de nuevo se convierte en un problema mayormente lineal, por lo que la vista de control de tensión suele ser preferida. Para los circuitos translineales, en los que la curva exponencial I–V es clave para la operación, los transistores suelen ser modelados como fuentes de corriente controladas por tensión cuya transconductancia es proporcional a su corriente de colector. En general, el análisis de circuitos de nivel transistor se realiza utilizando SPICE o un simulador análogo-circuit comparable, por lo que la complejidad del modelo matemático generalmente no es de mucha preocupación para el diseñador, pero una vista simplificada de las características permite crear diseños después de un proceso lógico.

Retardo de encendido, apagado y almacenamiento

Los transistores bipolares, y en particular los transistores de potencia, tienen largos tiempos de almacenamiento de base cuando se saturan; el almacenamiento base limita el tiempo de apagado en el cambio de aplicaciones. Una pinza Baker puede evitar que el transistor se sature en gran medida, lo que reduce la cantidad de carga almacenada en la base y, por lo tanto, mejora el tiempo de conmutación.

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

La proporción de portadores capaces de cruzar la base y llegar al colector es una medida de la eficiencia del BJT. El fuerte dopaje de la región del emisor y el ligero dopaje de la región de la base hacen que se inyecten muchos más electrones desde el emisor a la base que los agujeros que se inyectan desde la base al emisor. Una región base delgada y ligeramente dopada significa que la mayoría de los portadores minoritarios que se inyectan en la base se difundirán al colector y no se recombinarán.

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 del colector de CC y la corriente de base de CC en la región activa directa. (El subíndice F se usa para indicar el modo de operación activo hacia adelante). Por lo general, es mayor que 50 para transistores de señal pequeña, pero puede ser más pequeño en transistores diseñados para aplicaciones de alta potencia. Tanto la eficiencia de inyección como la recombinación en la base reducen la ganancia de BJT.

Otra característica útil es la ganancia de corriente de base común, $α$ _{F< /sub>. La ganancia de corriente de base común es aproximadamente la ganancia de corriente del emisor al colector en la región activa directa. Esta relación suele tener un valor cercano a la unidad; entre 0,980 y 0,998. Es menor que la unidad debido a la recombinación de los portadores de carga cuando cruzan la región base.}

Alfa y beta están relacionados por las siguientes identidades:

{displaystyle {begin{aligned}alpha _{text{F} limit={frac} {I_{text{C}} {I_{text{E}}} {f}} {f}} {f}}} {f}}}}}} {f}}}}} {f}}}}} {f}}}}}} {f}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}} {f}}}} {f}}}}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}} ################################################################################################################################################################################################################################################################ {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {beta} {f} {f}fnMicrosoft} {fnMicrosoft Sans Serif} {f} {f}f}f}fnMicrox} {f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnKf}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}fnMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMinMi

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 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 la 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 aún permita que fluya la corriente de colector requerida.

Estructura

Sección transversal simplificada de un planar NPN transistor de unión bipolar

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

La base está ubicada físicamente entre el emisor y el colector y está hecha de material de alta resistividad ligeramente dopado. El colector rodea la región del emisor, lo que hace casi imposible que los electrones inyectados en la región de la base escapen sin ser recolectados, lo que hace que el valor resultante de α sea muy cercano a la unidad y, por lo tanto, le da al transistor un β grande. Una vista 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 el intercambio del colector y el emisor hace que el transistor abandone el modo activo directo y comience a operar en modo inverso. Debido a que la estructura interna del transistor generalmente está optimizada para la operación en modo directo, el intercambio del colector y el emisor hace que los valores de α y β en la operación inversa sean mucho más pequeños que los de la 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 un voltaje de polarización inversa grande antes de que se rompa la unión colector-base. La unión colector-base tiene polarización inversa en funcionamiento normal. La razón por la que el emisor está fuertemente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección del emisor: la proporción de portadores inyectados por el emisor a 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.

Morir de un transistor NPN 2N2222. Los alambres de hueso se conectan a la base y emisor

El bajo rendimiento "lateral" Los transistores bipolares que a veces se usan en los procesos CMOS a veces se diseñan simétricamente, es decir, sin diferencia entre la operación 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 se pueden considerar como 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 estaban hechos de germanio, pero la mayoría de los BJT modernos están hechos de silicio. Una minoría significativa ahora también está hecha de arseniuro de galio, especialmente para aplicaciones de muy alta velocidad (ver HBT, a continuación).

El transistor bipolar de heterounión (HBT) es una mejora del BJT que puede manejar señales de frecuencias muy altas de hasta varios cientos de GHz. Es común en los circuitos ultrarrápidos modernos, en su mayoría sistemas de RF.

Símbolo para el transistor bipolar NPN con dirección de flujo actual

Dos HBT de uso común son el arseniuro de galio de aluminio y silicio-germanio, aunque se puede usar 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

Junction Tipo	Aplicadas voltajes	Sesgo de unión		Modo
Junction Tipo	Aplicadas voltajes	B-E	B-C	Modo
NPN	E	Adelante	Inversión	Avance activo
	E " B " C	Adelante	Adelante	Saturación
	E	Inversión	Inversión	Corte
	E ⇩ C	Inversión	Adelante	Inverso-activo
PNP	E	Inversión	Adelante	Inverso-activo
	E " B " C	Inversión	Inversión	Corte
	E	Adelante	Adelante	Saturación
	E ⇩ C	Adelante	Inversión	Avance activo

Los transistores bipolares tienen cuatro regiones distintas de funcionamiento, definidas por polarizaciones de unión BJT.

Avance-activo (o simplemente activo): La unión base-emitter es sesgada hacia adelante y la unión base-coleccionista es sesgada inversa. La mayoría de los transistores bipolar están diseñados para permitir el mayor beneficio de corriente emisor común, β_F, en modo activo. Si este es el caso, la corriente de colector-emitter es aproximadamente proporcional a la corriente base, pero muchas veces mayor, para pequeñas variaciones de corriente base.
(o inverso-activo o invertidos): Al invertir las condiciones de parcialidad de la región activa hacia el futuro, un transistor bipolar entra en modo inverso-activo. En este modo, las regiones emisoras y coleccionistas cambian de función. Debido a que la mayoría de los BJTs están diseñados para maximizar la ganancia actual en modo avanzado-activo, el β_F en modo invertido es varias veces más pequeño (2-3 veces para el transistor de germanio ordinario). Este modo transistor raramente se utiliza, por lo general siendo considerado sólo para las condiciones de seguridad y algunos tipos de lógica bipolar. El voltaje de desglose inverso a la base puede ser un orden de magnitud inferior en esta región.
Saturación: Con ambas interacciones hacia adelante sesgadas, un BJT está en modo de saturación y facilita la conducción de alta corriente del emisor al colector (o la otra dirección en el caso de NPN, con portadores cargados negativamente que fluyen de emisor a colector). Este modo corresponde a un "on" lógico o un interruptor cerrado.
Corte: En condiciones de corte, sesgadas frente a la saturación (tanto las uniones reversas) están presentes. Hay muy poca corriente, que corresponde a un "off" lógico, o un interruptor abierto.
Región de desglose de Avalanche

Características de la entrada

Características de la producción

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

Los modos de operación se pueden describir en términos de los voltajes aplicados (esta descripción se aplica a los transistores NPN; las polaridades se invierten para los transistores PNP):

Avance activo: Base superior al emisor, coleccionista superior a la base (en este modo la corriente del colector es proporcional a la corriente base por ${displaystyle beta _{text{F}}$ ).
Saturación: Base superior al emisor, pero el coleccionista no es superior a la base.
Corte: Base inferior al emisor, pero el coleccionista es más alto que la base. Significa que el transistor no está dejando pasar la corriente convencional del coleccionista al emisor.
Inverso-activo: Base inferior al emisor, coleccionista inferior a la base: corriente convencional inversa pasa por el transistor.

En términos de polarización de unión: (unión base-colector con polarización inversa significa V_bc < 0 para NPN, opuesto para PNP)

Aunque estas regiones están bien definidas para un voltaje aplicado suficientemente grande, se superponen un poco para sesgos pequeños (menos de unos pocos cientos de milivoltios). Por ejemplo, en la configuración típica de emisor conectado a tierra de un BJT NPN utilizado como interruptor desplegable en lógica digital, el interruptor de "apagado" El estado nunca involucra una unión con polarización inversa porque el voltaje base nunca pasa por debajo de la tierra; sin embargo, la polarización directa está lo suficientemente cerca de 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. Arrow 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 inversas 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, la mayoría portadores 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 de terminal (es decir, I _E = I_B + I_C).

En el diagrama, las flechas que representan el punto actual en la dirección de la corriente convencional – el flujo de electrones está en la dirección opuesta de las flechas porque los electrones llevan carga eléctrica negativa. En modo activo, la relación de la corriente del colector con la corriente base se llama la Ganancia actual de DC. Esta ganancia es generalmente 100 o más, pero los diseños de circuitos robustos no dependen del valor exacto (por ejemplo, ver op-amp). El valor de esta ganancia para las señales de DC se denomina ${displaystyle h_{text{FE}}$ , y el valor de esta ganancia para pequeñas señales se conoce como ${displaystyle h_{text{fe}}$ . Es decir, cuando se produce un pequeño cambio en las corrientes, y ha pasado tiempo suficiente para que la nueva condición llegue a un estado estable ${displaystyle h_{text{fe}}$ es la relación del cambio de corriente de colector al cambio de corriente base. El símbolo ${displaystyle beta }$ se utiliza para ambos ${displaystyle h_{text{FE}}$ y ${displaystyle h_{text{fe}}$ .

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

Historia

El transistor bipolar de contacto puntual fue inventado en diciembre de 1947 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, fue durante tres décadas el dispositivo de elección en el diseño de circuitos discretos e integrados. Hoy en día, el uso del BJT ha declinado a favor de la tecnología CMOS en el diseño de circuitos integrados digitales. Sin embargo, los BJT incidentales de bajo rendimiento inherentes a los circuitos integrados CMOS se utilizan a menudo como referencia de voltaje de banda prohibida, sensor de temperatura de banda prohibida de silicio y para manejar descargas electrostáticas.

Transistores de germanio

El transistor de germanio era más común en las décadas de 1950 y 1960, pero tiene una mayor tendencia a exhibir fugas térmicas. Dado que las uniones p-n de germanio tienen una polarización directa más baja que el silicio, los transistores de germanio se encienden a un voltaje más bajo.

Primeras técnicas de fabricación

Se desarrollaron varios métodos de fabricación de transistores bipolares.

Transistor punto-contacto – primer transistor jamás construido (diciembre de 1947), un transistor bipolar, uso comercial limitado debido a alto costo y ruido.
- Transistor de punto-contacto de Tetrode – Transistor de punto-contacto con dos emisores. Se volvió obsoleto a mediados de la década de 1950.
Transistores de unión
- Transistor de unión creciente – primer bipolar junction Traistor hecho. Invenido por William Shockley en Bell Labs el 23 de junio de 1948. Patente presentado el 26 de junio de 1948.
- Transistor de aleación-junción – emisor y aleación de coleccionistas fusionados a base. Desarrollado en General Electric y RCA en 1951.
  - Transistor de microaleación (MAT) – tipo de transistor de unión de alta velocidad. Desarrollado en Philco.
  - Transistor difundido de microaleación (MADT) – tipo de transistor de unión de alta velocidad, más rápido que el MAT, un transistor de base difusa. Desarrollado en Philco.
  - Transistor difuso post-aleación (PADT) – tipo de transistor de unión de alta velocidad, más rápido que el MAT, un transistor de base difusa. Desarrollado en Philips.
- Transistor de Tetrode – variante de alta velocidad de transistor de unión adulta o transistor de unión de aleación con dos conexiones a la base.
- Transistor de perforación superficial – transistor de unión de metales de alta velocidad. Desarrollado en Philco en 1953.
- Transistor de campo de derivación – transistor de unión bipolar de alta velocidad. Invenido por Herbert Kroemer en la Oficina Central de Tecnología de Telecomunicaciones del Servicio Postal Alemán, en 1953.
- Spacistor - alrededor de 1957.
- Transistor de derrame – transistor de unión bipolar de tipo moderno. Prototipos desarrollados en Bell Labs en 1954.
  - Transistor de base difusa – primera implementación de transistor de difusión.
  - Transistor de Mesa – desarrollado en Texas Instruments en 1957.
  - Transistor plano – el transistor de unión bipolar que hizo posible circuitos integrados monolíticos producidos en masa. Desarrollado por Jean Hoerni en Fairchild en 1959.
- Transistor epitaxial – un transistor de unión bipolar hecho con deposición de vapor-fase. Ver epitaxy. Permite un control muy preciso de los niveles de dopaje y los gradientes.

Teoría y modelado

Diagrama de banda para transistor NPN en equilibrio

Diagrama de banda para transistor NPN en modo activo, mostrando la inyección de electrones de emisor a base, y su overshoot en el colector

Los BJT se pueden considerar como dos diodos (uniones P-N) que comparten una región común a través de la cual se pueden mover los portadores minoritarios. Un PNP BJT funcionará como dos diodos que comparten una región de cátodo de tipo N, y el NPN como dos diodos que comparten una región de ánodo de tipo P. La conexión de dos diodos con cables no creará un BJT, ya que los portadores minoritarios no podrán pasar de una unión P-N a la otra a través del cable.

Ambos tipos de BJT funcionan al permitir que una pequeña entrada de corriente a la base controle una salida amplificada del colector. El resultado es que el BJT hace un buen cambio controlado por su entrada base. El BJT también es un buen amplificador, ya que puede multiplicar una señal de entrada débil hasta unas 100 veces su fuerza original. Las redes de BJT se utilizan para fabricar potentes amplificadores con muchas aplicaciones diferentes.

En el debate que figura a continuación, el enfoque se centra en el NPN BJT. En lo que se llama modo activo, el voltaje base–emisor ${displaystyle V_{text{BE}}$ and collector-base tension ${displaystyle V_{text{CB}}$ son positivos, sesgados hacia adelante la unión de emisor-base y la eliminación inversa de la unión de colector-base. En este modo, los electrones se inyectan desde la región de emisores de tipo n sesgados hacia la base de tipo p donde difusan como portadores minoritarios al colector de tipo n-bisado inverso y son barridos por el campo eléctrico en el colector-base de labios inversos.

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:

Modelo de Ebers-Moll

Ebers–Moll model for an NPN transistor. I_B, I_C y I_E son las corrientes base, coleccionista y emisor; I_CD y I_ED son las corrientes de diodo de coleccionista y emisor; α_F y α_R son las ganancias corrientes de base común hacia adelante y hacia atrás.

Ebers–Moll model for a PNP transistor

Modelo aproximado Ebers–Moll para un transistor NPN en el modo activo futuro. El diodo del coleccionista es secuestrado I_CD es prácticamente cero. La mayoría de la corriente de diodo emisor (α_F es casi 1) se extrae del coleccionista, proporcionando la amplificación de la corriente base.

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

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

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dónde

${displaystyle V_{text{T}}$ es el voltaje térmico ${displaystyle kT/q}$ (aproximadamente 26 mV a 300 K, temperatura ambiente).
${displaystyle Yo...$ es la corriente emisora
${displaystyle Yo...$ es la corriente del coleccionista
${displaystyle alpha _{F}}$ es la base común avance de cortocircuito ganancia corriente (0.98 a 0.998)
${displaystyle Yo...$ es la corriente de saturación inversa del diodo base-emitter (en el orden de 10⁻¹⁵ a 10⁻¹² amperios)
${displaystyle V_{text{BE}}$ es el voltaje base-emitter
${displaystyle D_{n}$ es la constante de difusión de electrones en la base de tipo p
W es el ancho base

El ${displaystyle alpha }$ y adelante ${displaystyle beta }$ los parámetros se describen anteriormente. Un revés ${displaystyle beta }$ a veces se incluye en el modelo.

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

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dónde

${displaystyle i_{text{C}}$ es la corriente del coleccionista
${displaystyle i_{text{B}}$ es la corriente base
${displaystyle ¿Qué?$ es la corriente emisora
${displaystyle beta _{text{F}}$ es la ganancia corriente de emisor común (de 20 a 500)
${displaystyle beta _{R}}$ es la ganancia corriente de emisor común inversa (0 a 20)
${displaystyle Yo...$ es la corriente de saturación inversa (en el orden de 10⁻¹⁵ a 10⁻¹² amperios)
${displaystyle V_{text{T}}$ es el voltaje térmico (aproximadamente 26 mV a 300 K. Tómese temperatura ambiente).
${displaystyle V_{text{BE}}$ es el voltaje base-emitter
${displaystyle V_{text{BC}}$ es el voltaje base-collector

Modulación de ancho de base

Parte superior: Ancho base NPN para el sesgo reverso bajo colector; fondo: ancho base NPN más estrecho para el sesgo reverso grande colector-base. Las regiones pobres son regiones agotadas.

Como el colector-base tensión ( ${displaystyle V_{text{CB}=V_{text{CE}-V_{text{BE}}$ ) varía, la región de agotamiento del coleccionista-base varía en tamaño. Un aumento en el voltaje del colector-base, por ejemplo, causa un mayor sesgo reverso a través de la unión del colector-base, aumentando el ancho de la región de agotamiento del colector-base, y disminuyendo el ancho de la base. Esta variación en el ancho de la base a menudo se llama Efecto temprano después de su descubrimiento James M. Early.

El estrechamiento del ancho de la base tiene dos consecuencias:

Hay menos posibilidades de recombinación dentro de la región base "pequeña".
El gradiente de carga se aumenta a través de la base, y en consecuencia, la corriente de portadores minoritarios inyectados a través de la unión de emisores aumenta.

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

En la región avanzada activa, el efecto temprano modifica la corriente de colector ( ${displaystyle i_{text{C}}$ ) y la ganancia de corriente de emisor común ( ${displaystyle beta _{text{F}}$ ) dado por:

{displaystyle {begin{aligned}i_{text{C} {f} {fnK}f},e^{frac} {V_{text{BE}} {V_{text{T}}left(1+{frac}} {f}} {f}}}} {f} {f}}}}} {f}}}} {f}}}}} {f}}} {f}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}}}}}m}m}}}}}}}}}}}}}}}} {m}}}}} {m}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}m}}mmmm}ppppppb}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}m}}} {V_{text{CE}} {V_{text{A}}}derecha)\beta _{text{F}} {beta=beta _{text{F}0}left(1+{frac}} {f}} {f} {f}f}}}}f}}f}}}f}f}}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}pf}f}f}f}\\f}f}f}f}f}f}f}f}fnh}fnhnh}f}f}f}fn\\\\\fnMin\\fnMinh}\\\fnKf}\fnKf}fnh {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif}} {fnMicrosoft Sans Serif}} {f}}} {f}} {fnMicroc}}} {fnK}}} {f}}}}}} {f}f}fnKf}}}} {\f}}}}}}}}}}\\\\\\f}f}\\\\f}f}}\\\f}f}\f}}}}\f}}}}\\\\\\\\\\\\fnK\\f}}}}}\\\\f}}}}}}}}}}}}}}}}}}\\\\\\\\\\\fn {fnK} {fnK}} {fnK}} {f}}} {fnK}}} {f}}} {f}}}}} {f}}} {f}}}}}}}} {f}}}} {f}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}} {f}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}

donde:

${displaystyle V_{text{CE}}$ es el voltaje del coleccionista-emitter
${displaystyle V_{text{A}}$ es la tensión temprana (15 V a 150 V)
${displaystyle beta _{text{F}0}$ es el avance de la ganancia actual de emitter común cuando ${displaystyle V_{text{CB}}$ = 0 V
${displaystyle.$ es la impedancia de salida
${displaystyle Yo...$ es la corriente del coleccionista

Perforación

Cuando el voltaje base-colector alcanza un cierto valor (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 está en este estado, el transistor efectivamente no tiene base. Por lo tanto, el dispositivo pierde toda ganancia cuando se encuentra en este estado.

Modelo de control de carga Gummel-Poon

El modelo Gummel-Poon es un modelo detallado de dinámica BJT, que ha sido adoptado y elaborado por otros para explicar las dinámicas transistoras con mayor detalle que los modelos basados en terminales. Este modelo también incluye la dependencia del transistor ${displaystyle beta }$ -valores sobre los niveles de corriente directa en el transistor, que se asume actualmente-independiente en el modelo Ebers-Moll.

Modelos de pequeña señal

Modelo híbrido-pi

El modelo híbrido-pi es un modelo de circuito popular que se utiliza para analizar la señal pequeña y el comportamiento de CA de los transistores de unión bipolar y de efecto de campo. A veces también se le llama modelo de Giacoletto porque fue presentado por L.J. Giacoletto en 1969. El modelo puede ser bastante preciso para circuitos de baja frecuencia y se puede adaptar fácilmente para circuitos de alta frecuencia con la adición de capacitancias entre electrodos y otros elementos parásitos.

Modelo de parámetro H

Modelo generalizado de h-parametro de un NPN BJT.
Sustitución 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 parámetro h, también conocido como modelo híbrido equivalente, estrechamente relacionado con el modelo híbrido-pi y el parámetro y de dos puertos, pero utilizando 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 puede utilizarse 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 (common), emisor; dar x para ser e
i_i, corriente base (i_b)
i_o, corriente de colector (i_c)
V_dentroTensión de base a emisorV_BE)
V_o, voltaje de colector a emisor (V_CE)

y los parámetros h vienen dados por:

h_ix = h_ie para la configuración de emitter común, el iimpedancia de nput del transistor (correspondiente a la resistencia base r_pi).
h_rx = h_re, a rrelación de transferencia de siempre, representa la dependencia de la entrada del transistor I_B–V_BE curva sobre el valor de (salida) V_CE. Por lo general es muy pequeño y a menudo es descuidado (según sea cero) en DC.
h_fx = h_fe, la ganancia actual "para adelante" del transistor, a veces escrita h₂₁. Este parámetro, con el caso inferior "fe" para implicar pequeña señal (AC) ganancia, o más a menudo con mayúsculas para "FE" (especificado como h_FE) significar la "señal grande" o la ganancia corriente DC (β_DC o a menudo simplemente β), es uno de los parámetros principales en hojas de datos, y se puede dar para una corriente de colector típica y voltaje o trazado como una función de corriente de colector. A continuación.
h_Ox 1/h_Oe, la impedancia de salida del transistor. El parámetro h_Oe generalmente corresponde a la admisión de salida del transistor bipolar y tiene que ser invertido para convertirlo a una impedancia.

Como se muestra, los parámetros h tienen subíndices en minúsculas y, por lo tanto, significan condiciones o análisis de CA. Para condiciones de CC, se especifican en mayúsculas. Para la topología CE, se suele utilizar un modelo de parámetro h aproximado que simplifica aún más el análisis del circuito. Para ello se desprecian los parámetros h_oe y h_re (es decir, se ponen a infinito y cero, respectivamente). El modelo de parámetro h que se muestra es adecuado para el análisis de señales pequeñas y de baja frecuencia. Para análisis de alta frecuencia, se deben sumar las capacitancias entre electrodos que son importantes a altas frecuencias.

Etimología de hFE

La h se refiere a que es un parámetro h, un conjunto de parámetros llamados así por su origen en un modelo de hcircuito equivalente híbrido (véase más arriba). Como con todos los parámetros h, la elección de minúsculas o mayúsculas para las letras que siguen a la "h" es significante; minúsculas significa "pequeña señal" parámetros, es decir, la pendiente la relación particular; las letras mayúsculas implican "señal grande" o valores DC, la relación de los voltajes o corrientes. En el caso de la muy utilizada h_FE:

F es de Famplificación actual también llamó la ganancia actual.
E se refiere al transistor que opera en un común Emitter (CE) configuración.

Así que h_FE (o hFE) se refiere a la corriente del colector (CC total) dividida por la corriente base, y no tiene dimensiones. Es un parámetro que varía algo con la corriente del colector, pero 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 indicaría 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 de la industria

El modelo Gummel-Poon SPICE se usa a menudo, pero tiene varias limitaciones. Por ejemplo, el modelo SGP (SPICE Gummel-Poon) no captura la descomposición inversa del diodo base-emisor, ni tampoco los efectos térmicos (autocalentamiento) o cuasi-saturación. Estos se han abordado en varios modelos más avanzados que se centran en casos específicos de aplicación (Mextram, HICUM, Modella) o están diseñados para uso universal (VBIC).

Aplicaciones

El BJT sigue siendo un dispositivo que sobresale en algunas aplicaciones, como el diseño de circuitos discretos, debido a la amplia selección de tipos de BJT disponibles y debido a su alta transconductancia y resistencia de salida en comparación con los MOSFET.

El BJT también es la opción para circuitos analógicos exigentes, especialmente para aplicaciones de muy alta frecuencia, como circuitos de radiofrecuencia para sistemas inalámbricos.

Lógica digital de alta velocidad

La lógica acoplada por 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 las aplicaciones de ambos tipos de transistores.

Amplificadores

Los parámetros del transistor α y β caracterizan la ganancia actual del BJT. Es esta ganancia la que permite que los BJT se utilicen como componentes básicos 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 con polarización directa, el BJT se puede usar para medir la temperatura restando dos voltajes a dos corrientes de polarización diferentes en una relación conocida.

Convertidores logarítmicos

Debido a que el voltaje base-emisor varía como el logaritmo de las corrientes base-emisor y colector-emisor, un BJT también se puede usar para calcular logaritmos y antilogaritmos. Un diodo también puede realizar estas funciones no lineales, pero el transistor proporciona más flexibilidad al circuito.

Generadores de impulsos de avalancha

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

Se fabrican dispositivos de transistor de avalancha especiales para esta aplicación.

Vulnerabilidades

La exposición del transistor a la radiación ionizante provoca daños por radiación. La radiación provoca una acumulación de 'defectos' en la región base que actúan como centros de recombinación. La reducción resultante en la vida útil de la portadora minoritaria provoca una pérdida gradual de ganancia del transistor.

Los transistores tienen "valores nominales máximos", incluidos valores nominales de potencia (esencialmente limitados por el autocalentamiento), corrientes máximas de colector y de base (valores nominales continuos/CC y 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 normales de ruptura 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 la matriz de silicio hacen que partes del silicio dentro del dispositivo se vuelvan desproporcionadamente más calientes que el otros. 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 de la matriz conduce la mayor parte de la corriente, lo que hace que aumente su conductividad, lo que hace que vuelva a calentarse progresivamente, hasta que el dispositivo falla internamente. El proceso de fuga térmica asociado con la ruptura secundaria, una vez activado, ocurre casi instantáneamente y puede dañar catastróficamente el paquete del transistor.

Si la unión emisor-base tiene polarización inversa en modo avalancha o Zener y la carga fluye durante un período breve, la ganancia de corriente del BJT puede degradarse permanentemente, ya que el emisor es más pequeño que el colector y no puede disipar una cantidad significativa poder. Este es un mecanismo común de falla de ESD en dispositivos de bajo voltaje.

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