Transistores de unión bipolar

El transistor de unión bipolar (BJT) fue nombrado porque su funcionamiento implica la conducción por dos portadores:electrones y huecos en el mismo cristal. El primer transistor bipolar fue inventado en Bell Labs por William Shockley, Walter Brattain y John Bardeen tan tarde en 1947 que no se publicó hasta 1948. Por lo tanto, muchos textos difieren en cuanto a la fecha de la invención. Brattain fabricó un transistor de contacto puntual de germanio , teniendo cierta semejanza con un diodo de contacto puntual. En un mes, Shockley tenía un transistor de unión más práctico , que describimos en los siguientes párrafos. Fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956 por el transistor.

El transistor de unión bipolar que se muestra en la Figura siguiente (a) es un sándwich de semiconductores de tres capas NPN con un emisor y coleccionista en los extremos y una base entre. Es como si se añadiera una tercera capa a un diodo de dos capas. Si este fuera el único requisito, no tendríamos más que un par de diodos consecutivos. De hecho, es mucho más fácil construir un par de diodos consecutivos. La clave para la fabricación de un transistor de unión bipolar es hacer que la capa intermedia, la base, sea lo más delgada posible sin cortocircuitar las capas externas, el emisor y el colector. No podemos exagerar la importancia de la región de base delgada.

Cruces BJT

El dispositivo en la Figura siguiente (a) tiene un par de uniones, emisor a base y base a colector, y dos regiones de agotamiento.

(a) Transistor bipolar de unión NPN. (b) Aplique polarización inversa a la unión de la base del colector.

Es costumbre invertir la polarización de la unión base-colector de un transistor de unión bipolar como se muestra en (Figura anterior (b). Tenga en cuenta que esto aumenta el ancho de la región de agotamiento. La tensión de polarización inversa podría ser de unos pocos voltios a decenas de voltios. para la mayoría de los transistores. No hay flujo de corriente, excepto corriente de fuga, en el circuito colector.

En la Figura siguiente (a), se ha agregado una fuente de voltaje al circuito base del emisor. Normalmente, polarizamos hacia adelante la unión emisor-base, superando la barrera de potencial de 0,6 V. Esto es similar a la polarización directa de un diodo de unión. Esta fuente de voltaje debe superar los 0,6 V para que los portadores mayoritarios (electrones para NPN) fluyan desde el emisor hacia la base y se conviertan en portadores minoritarios en el semiconductor tipo P.

Si la región de la base fuera gruesa, como en un par de diodos adosados, toda la corriente que ingresa a la base fluiría fuera del cable de la base. En nuestro ejemplo de transistor NPN, los electrones que salen del emisor hacia la base se combinarían con agujeros en la base, dejando espacio para que se creen más agujeros en el terminal (+) de la batería en la base a medida que salen los electrones.

Sin embargo, la base se fabrica delgada. Unos pocos portadores mayoritarios en el emisor, inyectados como portadores minoritarios en la base, en realidad se recombinan. Consulte la figura siguiente (b). Pocos electrones inyectados por el emisor en la base de un transistor NPN caen en los agujeros. Además, pocos electrones que ingresan a la base fluyen directamente a través de la base hacia el terminal positivo de la batería. La mayor parte de la corriente del emisor de electrones se difunde a través de la base delgada hacia el colector. Además, modular la corriente de base pequeña produce un cambio mayor en la corriente del colector. Si el voltaje base cae por debajo de aproximadamente 0,6 V para un transistor de silicio, la gran corriente emisor-colector deja de fluir.

Transistor bipolar de unión NPN con base colectora con polarización inversa:(a) Al agregar polarización directa a la unión base-emisor, se obtiene (b) una corriente de base pequeña y corrientes de emisor y colector grandes.

Amplificación de corriente BJT

En la Figura siguiente, echamos un vistazo más de cerca al mecanismo de amplificación actual. Tenemos una vista ampliada de un transistor de unión NPN con énfasis en la región de base delgada. Aunque no se muestra, asumimos que las fuentes de voltaje externas 1) polarizan hacia adelante la unión emisor-base, 2) polarizan hacia atrás la unión base-colector. Corriente, sale del emisor al terminal (-) de la batería. El flujo de corriente base corresponde a las corrientes que ingresan al terminal base desde el terminal (+) de la batería.

Disposición de los electrones que entran en la base:(a) Perdidos debido a la recombinación con los agujeros de la base. (b) Fluye el plomo base. (c) La mayoría se difunde desde el emisor a través de una base delgada hacia la región de agotamiento del colector de base, y (d) son arrastrados rápidamente por el campo eléctrico de la región de agotamiento fuerte hacia el colector.

Los portadores mayoritarios dentro del emisor de tipo N son electrones, que se convierten en portadores minoritarios al entrar en la base de tipo P. Estos electrones enfrentan cuatro destinos posibles al ingresar a la base delgada de tipo P. Algunos en la Figura anterior (a) caen en los orificios de la base que contribuyen al flujo de corriente de la base al terminal (+) de la batería. No se muestra, los agujeros en la base pueden difundirse en el emisor y combinarse con electrones, contribuyendo a la corriente terminal de la base. Pocos en (b) fluyen a través de la base hasta el terminal (+) de la batería como si la base fuera una resistencia. Tanto (a) como (b) contribuyen al flujo de corriente base muy pequeño. La corriente base es típicamente el 1% de la corriente del emisor o colector para transistores de señal pequeña. La mayoría de los electrones emisores se difunden a través de la base delgada (c) hacia la región de agotamiento del colector de base. Tenga en cuenta la polaridad de la región de agotamiento que rodea al electrón en (d). El fuerte campo eléctrico arrastra rápidamente el electrón hacia el colector. La fuerza del campo es proporcional al voltaje de la batería del colector. Por tanto, el 99% de la corriente del emisor fluye hacia el colector. Está controlado por la corriente base, que es el 1% de la corriente del emisor. Esta es una ganancia de corriente potencial de 99, la relación de I _C / I _B , también conocido como beta, β.

Esta magia, la difusión del 99% de los portadores emisores a través de la base, solo es posible si la base es muy fina. ¿Cuál sería el destino de los portadores minoritarios de base en una base 100 veces más gruesa? Uno esperaría que la tasa de recombinación, los electrones que caen en los huecos, sea mucho mayor. Quizás el 99%, en lugar del 1%, caería en los agujeros, sin llegar nunca al colector. El segundo punto a destacar es que la corriente base puede controlar el 99% de la corriente del emisor, solo si el 99% de la corriente del emisor se difunde en el colector. Si todo fluye por la base, no es posible ningún control.

Otra característica que explica el paso del 99% de los electrones del emisor al colector es que los transistores de unión bipolar reales utilizan un pequeño emisor muy dopado. La alta concentración de electrones emisores obliga a muchos electrones a difundirse en la base. La menor concentración de dopaje en la base significa que se difunden menos orificios en el emisor, lo que aumentaría la corriente de la base. Se favorece mucho la difusión de portadores del emisor a la base.

La base delgada y el emisor fuertemente dopado ayudan a mantener la eficiencia del emisor alto, 99% por ejemplo. Esto corresponde al 100% de la corriente del emisor dividida entre la base como 1% y el colector como 99%. La eficiencia del emisor se conoce como α =I _C / I _E .

Tipos de BJT

Los transistores de unión bipolar están disponibles como dispositivos PNP y NPN. Presentamos una comparación de estos dos en la Figura siguiente. La diferencia es la polaridad de las uniones del diodo emisor base, como lo indica la dirección de la flecha del emisor del símbolo esquemático. Apunta en la misma dirección que la flecha del ánodo para un diodo de unión, a lo largo del flujo de corriente. Ver unión de diodos, Figura anterior. El punto de la flecha y la barra corresponden a semiconductores de tipo P y tipo N, respectivamente. Para los emisores NPN y PNP, la flecha apunta hacia la base y hacia afuera, respectivamente. No hay una flecha esquemática en el colector. Sin embargo, la unión base-colector tiene la misma polaridad que la unión base-emisor en comparación con un diodo. Tenga en cuenta que hablamos de diodo, no de fuente de alimentación, polaridad.

Compare el transistor NPN en (a) con el transistor PNP en (b). Observe la dirección de la flecha del emisor y la polaridad de la fuente.

Las fuentes de voltaje para los transistores PNP se invierten en comparación con los transistores NPN, como se muestra en la Figura anterior. La unión base-emisor debe tener polarización directa en ambos casos. La base de un transistor PNP tiene polarización negativa (b) en comparación con positiva (a) para un NPN. En ambos casos, la unión base-colector tiene polarización inversa. La fuente de alimentación del colector PNP es negativa en comparación con positiva para un transistor NPN.

Transistor de unión bipolar:(a) sección transversal del dispositivo discreto, (b) símbolo esquemático, (c) sección transversal del circuito integrado.

Tenga en cuenta que el BJT en la Figura anterior (a) tiene un fuerte dopaje en el emisor como lo indica la notación N +. La base tiene un nivel de dopante P normal. La base es mucho más delgada de lo que muestra la sección transversal que no está a escala. El colector está ligeramente dopado como lo indica la notación N. El colector debe estar ligeramente dopado para que la unión colector-base tenga un alto voltaje de ruptura. Esto se traduce en una alta tensión de alimentación del colector admisible. Los transistores de silicio de señal pequeña tienen un voltaje de ruptura de 60-80 V. Sin embargo, puede llegar a cientos de voltios para transistores de alto voltaje. El colector también debe estar fuertemente dopado para minimizar las pérdidas óhmicas si el transistor debe manejar alta corriente. Estos requisitos contradictorios se cumplen dopando el colector más fuertemente en el área de contacto metálico. El colector cerca de la base está ligeramente dopado en comparación con el emisor. El fuerte dopaje en el emisor le da a la base del emisor un voltaje de ruptura bajo aproximado de 7 V en transistores de señal pequeña. El emisor fuertemente dopado hace que la unión emisor-base tenga características similares al diodo Zener en polarización inversa.

El BJT muere , una pieza de una oblea semiconductora en rodajas y en cubitos, se monta en el colector en una caja de metal para transistores de potencia. Es decir, la caja de metal está conectada eléctricamente al colector. Se puede encapsular una pequeña matriz de señal en epoxi. En los transistores de potencia, los cables de unión de aluminio conectan la base y el emisor a los cables del paquete. Se pueden montar pequeños troqueles de transistores de señal directamente en los cables conductores. Se pueden fabricar varios transistores en un solo dado llamado circuito integrado . Incluso el colector puede estar unido a un cable en lugar de a la caja. El circuito integrado puede contener cableado interno de los transistores y otros componentes integrados. El BJT integrado que se muestra en la (Figura (c) anterior) es mucho más delgado que el dibujo "no a escala". La región P + aísla múltiples transistores en un solo dado. Una capa de metalización de aluminio (no mostrada) interconecta múltiples transistores y otros componentes. La región del emisor está muy dopada, N + en comparación con la base y el colector para mejorar la eficiencia del emisor.

Los transistores PNP discretos son casi tan de alta calidad como los transistores NPN. Sin embargo, los transistores PNP integrados no son tan buenos como la variedad NPN dentro del mismo circuito integrado. Por lo tanto, los circuitos integrados utilizan la variedad NPN tanto como sea posible.

REVISAR:

• Los transistores bipolares conducen la corriente utilizando electrones y agujeros en el mismo dispositivo.
• El funcionamiento de un transistor bipolar como amplificador de corriente requiere que la unión colector-base tenga polarización inversa y que la unión emisor-base tenga polarización directa.
• Un transistor se diferencia de un par de diodos espalda con espalda en que la base, la capa central, es muy delgada. Esto permite que los portadores mayoritarios del emisor se difundan como portadores minoritarios a través de la base hasta la región de agotamiento de la unión base-colector, donde los recoge el fuerte campo eléctrico.
• La eficiencia del emisor se mejora con un dopaje más pesado en comparación con el colector. Eficiencia del emisor:α =I _C / I _E , 0,99 para dispositivos de señal pequeña
• La ganancia actual es β =I _C / I _B , 100 a 300 para pequeños transistores de señal.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de la teoría del transistor de unión bipolar (BJT)