Transistor de junção bipolar - Bipolar junction transistor
Princípio de trabalho | Semicondutor |
---|---|
Inventado | Dezembro de 1947 |
Configuração de pinos | Coletor , base, emissor |
Símbolo eletrônico | |
BJTs NPN e símbolos esquemáticos PNP |
Um transistor de junção bipolar ( BJT ) é um tipo de transistor que usa elétrons e lacunas de elétrons como portadores de carga . Em contraste, um transistor unipolar, como um transistor de efeito de campo , usa apenas um tipo de portador de carga. Um transistor bipolar permite que uma pequena corrente injetada em um de seus terminais controle uma corrente muito maior fluindo entre dois outros terminais, tornando o dispositivo capaz de amplificação ou chaveamento.
Os BJTs usam duas junções entre dois tipos de semicondutores , tipo n e tipo p, que são regiões em um único cristal de material. As junções podem ser feitas de várias maneiras diferentes, como alterando a dopagem do material semicondutor à medida que ele cresce, depositando pelotas de metal para formar junções de liga ou por métodos como difusão de substâncias dopantes do tipo n e do tipo p em o cristal. A previsibilidade e desempenho superiores dos transistores de junção logo substituíram o transistor de contato de ponto original . Transistores difusos, junto com outros componentes, são elementos de circuitos integrados para funções analógicas e digitais. Centenas de transistores de junção bipolar podem ser feitos em um circuito a um custo muito baixo.
Os circuitos integrados de transistores bipolares foram os principais dispositivos ativos de uma geração de mainframes e minicomputadores, mas a maioria dos sistemas de computador agora usa circuitos integrados baseados em transistores de efeito de campo . Os transistores bipolares ainda são usados para amplificação de sinais, comutação e em circuitos digitais. Tipos especializados são usados para comutadores de alta tensão, para amplificadores de radiofrequência ou para comutar correntes pesadas.
Convenções de direção atuais
Por convenção, a direção da corrente nos diagramas é mostrada como a direção em que uma carga positiva se moveria. Isso é chamado de corrente convencional . No entanto, a corrente em muitos condutores de metal é devido ao fluxo de elétrons. Como os elétrons carregam uma carga negativa, eles se movem na direção oposta à corrente convencional. Por outro lado, dentro de um transistor bipolar, as correntes podem ser compostas por buracos carregados positivamente e elétrons carregados negativamente. Neste artigo, as setas de corrente são mostradas na direção convencional, mas os rótulos para o movimento de buracos e elétrons mostram sua direção real dentro do transistor. A seta no símbolo para transistores bipolares indica a junção PN entre a base e o emissor e aponta na direção em que a corrente convencional viaja.
Função
Os BJTs existem como tipos PNP e NPN, com base nos tipos de dopagem das três principais regiões terminais. Um transistor NPN compreende duas junções semicondutoras que compartilham uma região dopada com p fina, e um transistor PNP compreende duas junções semicondutoras que compartilham uma região dopada com n fina. Tipo N significa dopado com impurezas que fornecem elétrons móveis, enquanto tipo P significa dopado com impurezas que fornecem buracos que aceitam elétrons prontamente.
O fluxo de carga em um BJT é devido à difusão de portadores de carga através de uma junção entre duas regiões de diferentes concentrações de portadores de carga. As regiões de um BJT são chamadas de emissor , base e coletor . Um transistor discreto tem três terminais para conexão a essas regiões. Normalmente, a região emissora é fortemente dopada em comparação com as outras duas camadas, e o coletor é dopado mais levemente do que a base (a dopagem do coletor é normalmente dez vezes mais leve do que a dopagem da base). Por design, a maior parte da corrente do coletor BJT é devido ao fluxo de portadores de carga (elétrons ou buracos) injetados de um emissor pesadamente dopado na base, onde são portadores minoritários que se difundem em direção ao coletor, e assim os BJTs são classificados como minoritários. dispositivos da operadora.
Em operação típica, a junção base-emissor é polarizada diretamente , o que significa que o lado dopado com p da junção tem um potencial mais positivo do que o lado dopado n, e a junção coletor base é polarizada reversamente . Quando a polarização direta é aplicada à junção base-emissor, o equilíbrio entre os portadores gerados termicamente e o campo elétrico de repulsão da região de depleção do emissor dopado com n é perturbado. Isso permite que elétrons excitados termicamente (em um NPN; lacunas em um PNP) sejam injetados do emissor na região de base. Esses elétrons se difundem através da base da região de alta concentração próxima ao emissor em direção à região de baixa concentração próxima ao coletor. Os elétrons na base são chamados de portadores minoritários porque a base é do tipo p dopado, o que torna os buracos os portadores majoritários na base. Em um dispositivo PNP, ocorre um comportamento análogo, mas com buracos como portadores de corrente dominantes.
Para minimizar a fração de portadoras que se recombinam antes de atingir a junção coletor-base, a região da base do transistor deve ser fina o suficiente para que as portadoras possam se difundir em muito menos tempo do que o tempo de vida da portadora minoritária do semicondutor. Ter uma base levemente dopada garante que as taxas de recombinação sejam baixas. Em particular, a espessura da base deve ser muito menor do que o comprimento de difusão dos elétrons. A junção coletor-base é polarizada reversamente e, portanto, a injeção de elétrons insignificante ocorre do coletor para a base, mas os portadores que são injetados na base e difusos para alcançar a região de depleção da base do coletor são varridos para o coletor pelo campo elétrico na região de depleção. A base compartilhada fina e o doping coletor-emissor assimétrico são o que diferencia um transistor bipolar de dois diodos separados e polarizados de forma oposta, conectados em série.
Controle de tensão, corrente e carga
A corrente coletor-emissor pode ser vista como sendo controlada pela corrente base-emissor (controle de corrente) ou pela voltagem base-emissor (controle de voltagem). Essas visualizações são relacionadas pela relação corrente-tensão da junção base-emissor, que é a curva exponencial usual de corrente-tensão de uma junção p-n (diodo).
A explicação para a corrente de coletor é o gradiente de concentração de portadores minoritários na região de base. Devido à injeção de baixo nível (na qual há muito menos portadores em excesso do que os portadores majoritários normais), as taxas de transporte ambipolar (em que os portadores majoritários e minoritários fluem na mesma taxa) são determinadas pelo excesso de portadores minoritários.
Modelos detalhados de transistor de ação do transistor, como o modelo Gummel-Poon , são responsáveis pela distribuição dessa carga explicitamente para explicar o comportamento do transistor de forma mais exata. A visualização de controle de carga lida facilmente com fototransistores , onde portadores minoritários na região de base são criados pela absorção de fótons e lida com a dinâmica de desligamento, ou tempo de recuperação, que depende da recombinação da carga na região de base. No entanto, como a carga básica não é um sinal visível nos terminais, as visualizações de controle de corrente e tensão são geralmente usadas no projeto e na análise de circuitos.
No projeto de circuito analógico , a visualização do controle de corrente às vezes é usada porque é aproximadamente linear. Ou seja, a corrente de coletor é aproximadamente vezes a corrente de base. Alguns circuitos básicos podem ser projetados assumindo que a tensão do emissor da base é aproximadamente constante e que a corrente do coletor é β vezes a corrente da base. No entanto, para projetar circuitos BJT de produção de maneira precisa e confiável, é necessário o modelo de controle de tensão (por exemplo, Ebers-Moll ). O modelo de controle de tensão requer que uma função exponencial seja levada em consideração, mas quando é linearizado de modo que o transistor possa ser modelado como uma transcondutância, como no modelo de Ebers-Moll , o design para circuitos como amplificadores diferenciais novamente torna-se principalmente problema linear, então a visão de controle de tensão é freqüentemente preferida. Para circuitos translineares , nos quais a curva exponencial I – V é a chave para a operação, os transistores são geralmente modelados como fontes de corrente controladas por tensão cuja transcondutância é proporcional à sua corrente de coletor. Em geral, a análise do circuito no nível do transistor é realizada usando SPICE ou um simulador de circuito analógico comparável, então a complexidade do modelo matemático geralmente não é de grande preocupação para o projetista, mas uma visão simplificada das características permite que os projetos sejam criados seguindo um processo lógico .
Atraso na ativação, desativação e armazenamento
Os transistores bipolares, e particularmente os transistores de potência, têm longos tempos de armazenamento de base quando são levados à saturação; o armazenamento básico limita o tempo de desligamento em aplicativos de comutação. Um grampo Baker pode evitar que o transistor sature fortemente, o que reduz a quantidade de carga armazenada na base e, portanto, melhora o tempo de comutação.
Características do transistor: alfa ( α ) e beta ( β )
A proporção de portadores capazes de cruzar a base e chegar ao coletor é uma medida da eficiência do BJT. A dopagem pesada da região do emissor e a dopagem leve da região da base faz com que muito mais elétrons sejam injetados do emissor na base do que buracos a serem injetados da base para o emissor. Uma região de base fina e levemente dopada significa que a maioria dos portadores minoritários que são injetados na base se difundirão para o coletor e não se recombinarão.
O emissor comum ganho de corrente é representada por β F ou o h -parameter h FE ; é aproximadamente a razão entre a corrente do coletor DC e a corrente base DC na região ativa direta. Normalmente é maior que 50 para transistores de sinal pequeno, mas pode ser menor em transistores projetados para aplicações de alta potência. Tanto a eficiência da injeção quanto a recombinação na base reduzem o ganho de BJT.
Outra característica útil é o de base comum ganho de corrente , α F . O ganho de corrente de base comum é aproximadamente o ganho de corrente do emissor para o coletor na região ativa direta. Essa proporção geralmente tem um valor próximo à unidade; entre 0,980 e 0,998. É menor que a unidade devido à recombinação dos portadores de carga conforme eles cruzam a região de base.
Alfa e beta estão relacionados pelas seguintes identidades:
Beta é uma figura de mérito conveniente para descrever o desempenho de um transistor bipolar, mas não é uma propriedade física fundamental do dispositivo. Os transistores bipolares podem ser considerados dispositivos controlados por tensão (fundamentalmente a corrente do coletor é controlada pela tensão base-emissor; a corrente base pode ser considerada um defeito e é controlada pelas características da junção base-emissor e recombinação na base). Em muitos projetos, o beta é considerado alto o suficiente para que a corrente de base tenha um efeito insignificante no circuito. Em alguns circuitos (geralmente circuitos de comutação), é fornecida corrente de base suficiente para que mesmo o valor beta mais baixo que um determinado dispositivo possa ter ainda permita o fluxo da corrente de coletor necessária.
Estrutura
Um BJT consiste em três regiões semicondutoras dopadas de forma diferente : a região do emissor , a região da base e a região do coletor . Essas regiões são, respectivamente, tipo p , tipo n e tipo p em um transistor PNP, e tipo n , tipo p e tipo n em um transistor NPN. Cada região semicondutora é conectada a um terminal, apropriadamente rotulado: emissor (E), base (B) e coletor (C).
A base está fisicamente localizada entre o emissor e o coletor e é feita de material levemente dopado de alta resistividade. O coletor circunda a região emissora, tornando quase impossível que os elétrons injetados na região da base escapem sem serem coletados, tornando o valor de α resultante muito próximo da unidade, dando ao transistor um grande β. Uma vista de seção transversal de um BJT indica que a junção coletor-base tem uma área muito maior do que a junção emissor-base.
O transistor de junção bipolar, ao contrário de outros transistores, geralmente não é um dispositivo simétrico. Isso significa que a troca do coletor e do emissor faz com que o transistor saia do modo ativo direto e comece a operar no modo reverso. Como a estrutura interna do transistor é geralmente otimizada para operação no modo direto, a troca do coletor e do emissor torna os valores de α e β na operação reversa muito menores do que na operação direta; frequentemente, o α do modo reverso é inferior a 0,5. A falta de simetria se deve principalmente às taxas de dopagem do emissor e do coletor. O emissor é fortemente dopado, enquanto o coletor é levemente dopado, permitindo que uma grande tensão de polarização reversa seja aplicada antes que a junção coletor-base se quebre. A junção base do coletor é polarizada reversamente em operação normal. A razão pela qual o emissor é fortemente dopado é para aumentar a eficiência de injeção do emissor: a proporção de portadores injetados pelo emissor em relação aos injetados pela base. Para alto ganho de corrente, a maioria das portadoras injetadas na junção emissor-base deve vir do emissor.
Os transistores bipolares "laterais" de baixo desempenho às vezes usados em processos CMOS às vezes são projetados simetricamente, ou seja, sem diferença entre a operação para frente e para trás.
Pequenas mudanças na tensão aplicada nos terminais do emissor-base fazem com que a corrente entre o emissor e o coletor mude significativamente. Este efeito pode ser usado para amplificar a tensão ou corrente de entrada. Os BJTs podem ser considerados fontes de corrente controladas por tensão , mas são mais simplesmente caracterizados como fontes de corrente controladas por corrente, ou amplificadores de corrente, devido à baixa impedância na base.
Os primeiros transistores eram feitos de germânio, mas a maioria dos BJTs modernos são feitos de silício . Uma minoria significativa também é feita de arsenieto de gálio , especialmente para aplicações de velocidade muito alta (veja HBT, abaixo).
O transistor bipolar de heterojunção (HBT) é um aprimoramento do BJT que pode lidar com sinais de frequências muito altas de até várias centenas de GHz . É comum em circuitos ultrarrápidos modernos, principalmente sistemas de RF .
Dois HBTs comumente usados são o silício-germânio e o arsenieto de alumínio e gálio, embora uma ampla variedade de semicondutores possa ser usada para a estrutura do HBT. As estruturas de HBT são geralmente cultivadas por técnicas de epitaxia como MOCVD e MBE .
Regiões de operação
Tipo de junção |
Tensões aplicadas |
Viés de junção | Modo | |
---|---|---|---|---|
SER | AC | |||
NPN | E <B <C | Avançar | Reverter | Forward-ativo |
E <B> C | Avançar | Avançar | Saturação | |
E> B <C | Reverter | Reverter | Cortar | |
E> B> C | Reverter | Avançar | Reverse-ativo | |
PNP | E <B <C | Reverter | Avançar | Reverse-ativo |
E <B> C | Reverter | Reverter | Cortar | |
E> B <C | Avançar | Avançar | Saturação | |
E> B> C | Avançar | Reverter | Forward-ativo |
Os transistores bipolares têm quatro regiões distintas de operação, definidas por vieses da junção BJT.
- Forward-ativo (ou simplesmente ativo )
- A junção base-emissor é polarizada direta e a junção base-coletor é polarizada reversa. A maioria dos transistores bipolares é projetada para permitir o maior ganho de corrente de emissor comum, β F , no modo ativo direto. Se for esse o caso, a corrente coletor-emissor é aproximadamente proporcional à corrente de base, mas muitas vezes maior, para pequenas variações de corrente de base.
- Ativo reverso (ou ativo inverso ou invertido )
- Ao reverter as condições de polarização da região ativa para frente, um transistor bipolar entra no modo ativo reverso. Nesse modo, as regiões do emissor e do coletor trocam de função. Como a maioria dos BJTs são projetados para maximizar o ganho de corrente no modo ativo direto, o β F no modo invertido é várias vezes menor (2–3 vezes para o transistor de germânio comum). Este modo de transistor raramente é usado, geralmente sendo considerado apenas para condições à prova de falhas e alguns tipos de lógica bipolar . A tensão de ruptura de polarização reversa para a base pode ser uma ordem de magnitude menor nesta região.
- Saturação
- Com ambas as junções polarizadas para frente, um BJT está no modo de saturação e facilita a condução de alta corrente do emissor para o coletor (ou na outra direção no caso do NPN, com portadores carregados negativamente fluindo do emissor para o coletor). Este modo corresponde a um interruptor lógico "ligado" ou fechado.
- Cortar
- No corte, as condições de polarização opostas à saturação (ambas as junções com polarização reversa) estão presentes. Há muito pouca corrente, o que corresponde a um "desligamento" lógico ou a uma chave aberta.
- Região de decomposição de avalanche
Os modos de operação podem ser descritos em termos de tensões aplicadas (esta descrição se aplica a transistores NPN; as polaridades são invertidas para transistores PNP):
- Forward-ativo
- Base mais alta que o emissor, coletor mais alto que a base (neste modo, a corrente do coletor é proporcional à corrente base ).
- Saturação
- A base é mais alta que o emissor, mas o coletor não é mais alto que a base.
- Cortar
- A base é mais baixa que o emissor, mas o coletor é mais alto que a base. Isso significa que o transistor não está deixando a corrente convencional passar do coletor ao emissor.
- Reverse-ativo
- Base mais baixa que o emissor, coletor mais baixo que a base: corrente convencional reversa passa pelo transistor.
Em termos de polarização de junção: (junção de base-coletor com polarização reversa significa V bc <0 para NPN, oposto para PNP)
Embora essas regiões sejam bem definidas para tensão aplicada suficientemente grande, elas se sobrepõem um pouco para polarizações pequenas (menos de algumas centenas de milivolts). Por exemplo, na configuração típica de emissor aterrado de um NPN BJT usado como uma chave suspensa na lógica digital, o estado "desligado" nunca envolve uma junção polarizada reversa porque a tensão de base nunca vai abaixo do solo; no entanto, a polarização direta é próxima o suficiente de zero para que essencialmente nenhuma corrente flua, de modo que essa extremidade da região ativa direta pode ser considerada como a região de corte.
Transistores de modo ativo em circuitos
O diagrama mostra uma representação esquemática de um transistor NPN conectado a duas fontes de tensão. (A mesma descrição se aplica a um transistor PNP com direções reversas de fluxo de corrente e tensão aplicada.) Essa tensão aplicada faz com que a junção PN inferior se torne polarizada para frente, permitindo um fluxo de elétrons do emissor para a base. No modo activo, o campo eléctrico existente entre a base e o colector (causada por V CE ) fará com que a maioria destes electrões para atravessar a junção PN superior para o colector para formar a corrente de colector I C . O restante do recombinam electrões com orifícios, os portadores maioritários na base, fazendo com que uma corrente através da conexão da base para formar a corrente de base, I B . Conforme mostrado no diagrama, a corrente do emissor, I E , é a corrente total do transistor, que é a soma das outras correntes terminais, (ou seja, I E = I B + I C ).
No diagrama, as setas que representam a corrente apontam na direção da corrente convencional - o fluxo de elétrons está na direção oposta das setas porque os elétrons carregam carga elétrica negativa . No modo ativo, a relação entre a corrente do coletor e a corrente base é chamada de ganho de corrente DC . Esse ganho é geralmente de 100 ou mais, mas projetos de circuito robustos não dependem do valor exato (por exemplo, consulte op-amp ). O valor deste ganho para sinais DC é referido como , e o valor deste ganho para sinais pequenos é referido como . Ou seja, quando ocorre uma pequena mudança nas correntes, e tempo suficiente passou para a nova condição atingir um estado estacionário é a razão da mudança na corrente de coletor para a mudança na corrente de base. O símbolo é usado para e .
A corrente do emissor está relacionada exponencialmente. À temperatura ambiente , um aumento de aproximadamente 60 mV aumenta a corrente do emissor em um fator de 10. Como a corrente de base é aproximadamente proporcional às correntes do coletor e do emissor, elas variam da mesma maneira.
História
O transistor de ponto de contato bipolar foi inventado em dezembro de 1947 no Bell Telephone Laboratories por John Bardeen e Walter Brattain sob a direção de William Shockley . A versão de junção conhecida como transistor de junção bipolar (BJT), inventada por Shockley em 1948, foi por três décadas o dispositivo de escolha no projeto de circuitos discretos e integrados . Hoje em dia, o uso do BJT declinou em favor da tecnologia CMOS no projeto de circuitos integrados digitais. Os BJTs incidentais de baixo desempenho inerentes aos ICs CMOS, no entanto, são frequentemente utilizados como referência de tensão bandgap , sensor de temperatura de bandgap de silício e para lidar com descarga eletrostática .
Transistores de germânio
O transistor de germânio era mais comum nas décadas de 1950 e 1960, mas tem uma tendência maior de exibir fuga térmica .
Técnicas de fabricação iniciais
Vários métodos de fabricação de transistores bipolares foram desenvolvidos.
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Transistor de contato pontual - primeiro transistor já construído (dezembro de 1947), um transistor bipolar, de uso comercial limitado devido ao alto custo e ruído.
- Transistor de contato pontual tetrodo - Transistor de contato pontual com dois emissores. Tornou-se obsoleto em meados dos anos 1950.
- Transistores de junção
- Transistor de junção crescido - primeiro transistor de junção bipolar feito. Inventado por William Shockley no Bell Labs em 23 de junho de 1948. Patente depositada em 26 de junho de 1948.
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Transistor de junção de liga - esferas de liga de emissor e coletor fundidas à base. Desenvolvido na General Electric e RCA em 1951.
- Transistor de micro-liga (MAT) - tipo de transistor de junção de liga de alta velocidade. Desenvolvido na Philco .
- Transistor difuso de micro-liga (MADT) - tipo de transistor de junção de liga de alta velocidade, mais rápido que o MAT, um transistor de base difusa . Desenvolvido na Philco .
- Transistor difuso pós-liga (PADT) - tipo de transistor de junção de liga de alta velocidade, mais rápido que o MAT, um transistor de base difusa . Desenvolvido na Philips .
- Transistor tetrode - variante de alta velocidade do transistor de junção crescida ou transistor de junção de liga com duas conexões para a base.
- Transistor de barreira de superfície - transistor de junção de barreira de metal de alta velocidade. Desenvolvido na Philco em 1953.
- Transistor de campo de deriva - transistor de junção bipolar de alta velocidade. Inventado por Herbert Kroemer no Escritório Central de Tecnologia de Telecomunicações do Serviço Postal Alemão, em 1953.
- Spacistor - por volta de 1957.
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Transistor de difusão - transistor de junção bipolar do tipo moderno. Protótipos desenvolvidos no Bell Labs em 1954.
- Transistor de base difusa - primeira implementação do transistor de difusão.
- Transistor Mesa - desenvolvido na Texas Instruments em 1957.
- Transistor planar - o transistor de junção bipolar que tornou possíveis os circuitos integrados monolíticos produzidos em massa . Desenvolvido por Jean Hoerni em Fairchild em 1959.
- Transistor epitaxial - um transistor de junção bipolar feito por deposição de fase de vapor. Veja epitaxia . Permite um controle muito preciso dos níveis de dopagem e gradientes.
Teoria e modelagem
Os BJTs podem ser vistos como dois diodos ( junções P – N ) compartilhando uma região comum pela qual as operadoras minoritárias podem se mover. Um PNP BJT funcionará como dois diodos que compartilham uma região de cátodo tipo N, e o NPN como dois diodos compartilhando uma região de ânodo tipo P. Conectar dois diodos com fios não fará um BJT, uma vez que as operadoras minoritárias não serão capazes de passar de uma junção P – N a outra através do fio.
Ambos os tipos de BJT funcionam permitindo que uma pequena entrada de corrente na base controle uma saída amplificada do coletor. O resultado é que o BJT é uma boa chave controlada por sua entrada de base. O BJT também é um bom amplificador, pois pode multiplicar um sinal de entrada fraco em cerca de 100 vezes sua força original. Redes de BJTs são usadas para fazer amplificadores poderosos com muitas aplicações diferentes.
Na discussão abaixo, o foco está no NPN BJT. No que é chamado de modo ativo, a tensão base-emissor e a tensão coletor-base são positivas, polarizando diretamente a junção emissor-base e polarizando reversamente a junção coletor-base. Neste modo, os elétrons são injetados da região emissora do tipo n polarizado diretamente para a base do tipo p, onde se difundem como portadores minoritários para o coletor do tipo n polarizado reversamente e são varridos pelo campo elétrico no polarizado reverso junção coletor-base.
Para uma ilustração de polarização direta e reversa, consulte diodos semicondutores .
Modelos de grande sinal
Em 1954, Jewell James Ebers e John L. Moll introduziram seu modelo matemático de correntes de transistor:
Modelo Ebers-Moll
O emissor DC e as correntes do coletor no modo ativo são bem modelados por uma aproximação ao modelo Ebers-Moll:
A corrente interna de base é principalmente por difusão (ver lei de Fick ) e
Onde
- é a tensão térmica (aproximadamente 26 mV a 300 K ≈ temperatura ambiente).
- é a corrente do emissor
- é o coletor atual
- é o ganho de corrente de curto-circuito direto base comum (0,98 a 0,998)
- é a corrente de saturação inversa do diodo base-emissor (da ordem de 10 -15 a 10 -12 amperes)
- é a tensão base-emissor
- é a constante de difusão para elétrons na base do tipo p
- W é a largura da base
Os parâmetros e forward são conforme descritos anteriormente. Às vezes, um reverso é incluído no modelo.
As equações de Ebers-Moll não aproximadas usadas para descrever as três correntes em qualquer região operacional são fornecidas abaixo. Essas equações são baseadas no modelo de transporte para um transistor de junção bipolar.
Onde
- é o coletor atual
- é a base atual
- é a corrente do emissor
- é o ganho de corrente do emissor comum direto (20 a 500)
- é o ganho de corrente do emissor comum reverso (0 a 20)
- é a corrente de saturação reversa (na ordem de 10 -15 a 10 -12 amperes)
- é a tensão térmica (aproximadamente 26 mV a 300 K ≈ temperatura ambiente).
- é a tensão base-emissor
- é a tensão base do coletor
Modulação de largura de base
Como a tensão da base do coletor ( ) varia, a região de depleção da base do coletor varia em tamanho. Um aumento na tensão da base do coletor, por exemplo, causa uma polarização reversa maior na junção da base do coletor, aumentando a largura da região de depleção da base do coletor e diminuindo a largura da base. Essa variação na largura da base costuma ser chamada de efeito inicial, em homenagem ao seu descobridor James M. Early .
O estreitamento da largura da base tem duas consequências:
- Há uma chance menor de recombinação dentro da região de base "menor".
- O gradiente de carga é aumentado na base e, conseqüentemente, a corrente de portadores minoritários injetados na junção do emissor aumenta.
Ambos os fatores aumentam o coletor ou a corrente de "saída" do transistor em resposta a um aumento na tensão de base do coletor.
Na região ativa direta , o efeito inicial modifica a corrente do coletor ( ) e o ganho de corrente do emissor comum direto ( ) conforme dado por:
Onde:
- é a tensão coletor-emissor
- é a tensão inicial (15 V a 150 V)
- é ganho de corrente de emissor comum direto quando = 0 V
- é a impedância de saída
- é o coletor atual
Perfurar
Quando a tensão do coletor de base atinge um determinado valor (específico do dispositivo), o limite da região de depleção do coletor de base encontra o limite da região de depleção do emissor de base. Quando neste estado, o transistor efetivamente não tem base. O dispositivo, portanto, perde todo o ganho quando neste estado.
Modelo de controle de carga Gummel-Poon
O modelo Gummel-Poon é um modelo detalhado da dinâmica do BJT controlado por carga, que foi adotado e elaborado por outros para explicar a dinâmica do transistor em mais detalhes do que os modelos baseados em terminais normalmente fazem. Este modelo também inclui a dependência dos valores do transistor sobre os níveis de corrente contínua no transistor, que são considerados independentes da corrente no modelo de Ebers-Moll.
Modelos de baixo sinal
Modelo Hybrid-pi
O modelo híbrido-pi é um modelo de circuito popular usado para analisar o sinal fraco e o comportamento AC da junção bipolar e dos transistores de efeito de campo . Às vezes também é chamado de modelo Giacoletto porque foi introduzido por LJ Giacoletto em 1969. O modelo pode ser bastante preciso para circuitos de baixa frequência e pode ser facilmente adaptado para circuitos de alta frequência com a adição de capacitâncias intereletrodos apropriadas e outros parasitas elementos
modelo de parâmetro h
Outro modelo comumente usado para analisar circuitos BJT é o modelo de parâmetro h , também conhecido como modelo híbrido equivalente, intimamente relacionado ao modelo pi híbrido e ao parâmetro y de duas portas , mas usando corrente de entrada e tensão de saída como variáveis independentes, em vez de tensões de entrada e saída. Esta rede de duas portas é particularmente adequada para BJTs, pois se presta facilmente à análise do comportamento do circuito e pode ser usada para desenvolver modelos mais precisos. Conforme mostrado, o termo, x , no modelo representa uma derivação BJT diferente dependendo da topologia usada. Para o modo emissor comum, os vários símbolos assumem valores específicos como:
- Terminal 1, base
- Terminal 2, coletor
- Terminal 3 (comum), emissor; dando x para ser e
- i i , corrente de base ( i b )
- i o , corrente de coletor ( i c )
- V in , tensão de base para emissor ( V BE )
- V o , tensão coletor-emissor ( V CE )
e os parâmetros h são dados por:
- h ix = H , isto é, para a configuração de emissor comum, o i ntrada impedância do transistor (correspondente à resistência de base r pi ).
- H RX = H re , um r relação de transferência everse, que representa a dependência da (entrada) do transistor I B - V BE curva sobre o valor de (saída) V CE . Geralmente é muito pequeno e frequentemente negligenciado (assumido como zero) em DC.
- h fx = h fe , o ganho de corrente "direto" do transistor, às vezes escrito h 21 . Este parâmetro, com "fe" minúsculo para implicar ganho de sinal pequeno (AC), ou mais frequentemente com letras maiúsculas para "FE" (especificado como h FE ) para significar o "sinal grande" ou ganho de corrente DC ( β DC ou frequentemente simplesmente β ), é um dos principais parâmetros nas planilhas de dados e pode ser fornecido para uma corrente e tensão de coletor típicas ou plotado como uma função da corrente de coletor. Veja abaixo.
- h ox = 1 / h oe , a impedância de saída do transistor. O parâmetro h oe geralmente corresponde à admitância de saída do transistor bipolar e deve ser invertido para convertê-lo em impedância.
Como mostrado, os parâmetros h têm subscritos em minúsculas e, portanto, significam condições ou análises AC. Para condições DC, eles são especificados em maiúsculas. Para a topologia CE, um modelo de parâmetro h aproximado é comumente usado, o que simplifica ainda mais a análise do circuito. Para isso, os parâmetros h oe e h re são desprezados (ou seja, eles são definidos como infinito e zero, respectivamente). O modelo do parâmetro h conforme mostrado é adequado para análises de baixa frequência e pequenos sinais. Para análises de alta frequência, as capacitâncias entre eletrodos que são importantes em altas frequências devem ser adicionadas.
Etimologia de h FE
O h refere-se à sua sendo um parâmetro-h, um conjunto de parâmetros nomeados pela sua origem num h ybrid circuito equivalente modelo (ver acima). Como acontece com todos os parâmetros h, a escolha de minúsculas ou maiúsculas para as letras que seguem o "h" é significativa; minúsculas significam parâmetros de "sinal pequeno", ou seja, a inclinação da relação particular; letras maiúsculas significam "sinal grande" ou valores DC , a relação das tensões ou correntes. No caso do muito frequentemente usado h FE :
- F é de F para a amplificação da corrente, também chamada de ganho de corrente.
- E refere-se à operação do transistor num comum E Mitter configuração (CE).
Assim, h FE (ou hFE) refere-se à corrente do coletor (total; DC) dividida pela corrente de base e é adimensional. É um parâmetro que varia um pouco com a corrente do coletor, mas geralmente é aproximado como uma constante; normalmente é especificado em uma corrente e tensão de coletor típicas, ou representado graficamente como uma função da corrente de coletor.
Se as letras maiúsculas não tivessem sido usadas no subscrito, ou seja, se fosse escrito h fe o parâmetro indica ganho de corrente de sinal pequeno ( CA ), ou seja, a inclinação do gráfico de corrente de coletor versus corrente de base em um determinado ponto, que muitas vezes está próximo para o valor hFE, a menos que a frequência de teste seja alta.
Modelos da indústria
O modelo Gummel – Poon SPICE é frequentemente usado, mas apresenta várias limitações. Por exemplo, um avanço reverso do diodo emissor de base não é capturado pelo modelo SGP (SPICE Gummel-Poon), nem os efeitos térmicos (autoaquecimento) ou quase saturação. Estes foram tratados em vários modelos mais avançados que se concentram em casos específicos de aplicação (Mextram, HICUM, Modella) ou são projetados para uso universal (VBIC).
Formulários
O BJT continua sendo um dispositivo que se destaca em algumas aplicações, como design de circuito discreto, devido à ampla seleção de tipos de BJT disponíveis e por sua alta transcondutância e resistência de saída em comparação com os MOSFETs .
O BJT também é a escolha para circuitos analógicos exigentes, especialmente para aplicações de frequência muito alta , como circuitos de radiofrequência para sistemas sem fio.
Lógica digital de alta velocidade
A lógica acoplada ao emissor (ECL) usa BJTs.
Os transistores bipolares podem ser combinados com MOSFETs em um circuito integrado usando um processo BiCMOS de fabricação de wafer para criar circuitos que aproveitam as vantagens da aplicação de ambos os tipos de transistor.
Amplificadores
Os parâmetros do transistor α e β caracterizam o ganho de corrente do BJT. É esse ganho que permite que os BJTs sejam usados como blocos de construção de amplificadores eletrônicos. As três principais topologias de amplificador BJT são:
Sensores de temperatura
Por causa da temperatura conhecida e dependência de corrente da tensão de junção base-emissor polarizada para frente, o BJT pode ser usado para medir a temperatura subtraindo duas tensões em duas correntes de polarização diferentes em uma razão conhecida.
Conversores logarítmicos
Como a tensão base-emissor varia como o logaritmo das correntes base-emissor e coletor-emissor, um BJT também pode ser usado para calcular logaritmos e anti-logaritmos. Um diodo também pode realizar essas funções não lineares, mas o transistor fornece mais flexibilidade de circuito.
Geradores de pulso de avalanche
Os transistores podem ser feitos deliberadamente com um coletor mais baixo para a tensão de colapso do emissor do que o coletor para a tensão de colapso da base. Se a junção base-emissor for polarizada reversamente, a voltagem do coletor-emissor pode ser mantida em uma voltagem logo abaixo da ruptura. Assim que a voltagem da base é permitida a subir e os fluxos de corrente ocorrem uma avalanche e a ionização de impacto na região de depleção da base do coletor rapidamente inunda a base com portadores e liga o transistor totalmente. Contanto que os pulsos sejam curtos e raros o suficiente para que o dispositivo não seja danificado, esse efeito pode ser usado para criar bordas de queda muito agudas.
Dispositivos especiais de transistor de avalanche são feitos para esta aplicação.
Vulnerabilidades
A exposição do transistor à radiação ionizante causa danos por radiação . A radiação causa um acúmulo de 'defeitos' na região da base que atuam como centros de recombinação . A redução resultante na vida útil da portadora minoritária causa perda gradual de ganho do transistor.
Os transistores têm "classificações máximas", incluindo classificações de energia (essencialmente limitadas por autoaquecimento), coletor máximo e correntes de base (ambas classificações contínuas / CC e pico) e classificações de tensão de ruptura , além das quais o dispositivo pode falhar ou pelo menos ter um mau desempenho .
Além das classificações normais de degradação do dispositivo, os BJTs de energia estão sujeitos a um modo de falha denominado colapso secundário , no qual corrente excessiva e imperfeições normais na matriz de silício fazem com que porções do silício dentro do dispositivo se tornem desproporcionalmente mais quentes do que as outras. A resistividade elétrica do silício dopado, como outros semicondutores, tem um coeficiente de temperatura negativo , o que significa que ele conduz mais corrente em temperaturas mais altas. Assim, a parte mais quente da matriz conduz a mais corrente, fazendo com que sua condutividade aumente, o que a torna progressivamente mais quente novamente, até que o dispositivo falhe internamente. O processo de fuga térmica associado à quebra do secundário, uma vez disparado, ocorre quase que instantaneamente e pode danificar catastroficamente o pacote do transistor.
Se a junção emissor-base for polarizada reversamente em modo avalanche ou Zener e a carga fluir por um curto período de tempo, o ganho de corrente do BJT pode ser permanentemente degradado, pois o emissor é menor que o coletor e não pode dissipar energia significativa. Este é um mecanismo de falha ESD comum em dispositivos de baixa tensão.
Veja também
- Polarização do transistor bipolar
- Enredo Gummel
- Transistor bipolar heterojunção
- Transistor bipolar de porta isolada
- MOSFET
- Transistor de emissor múltiplo