Transistores BJT saturados.

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Los usamos todos los días y aquellos que lo conocen entienden completamente las características funcionales de los transistores BJT. Hay documentos y enlaces en abundancia que explican las matemáticas operativas. Incluso hay toneladas de buenos videos que explican las teorías actuales de cómo funcionan físicamente. (La mayoría de estos últimos son dados por personas que hablan "Telemarketer English" por alguna razón).

Sin embargo, debo admitir, incluso después de más de 40 años, mucho de lo que tengo que aceptar al pie de la letra, ya que las descripciones de cómo encaja la unión del colector en la ecuación siempre son un poco onduladas.

De todos modos, aparte de eso, hay una faceta que realmente no entiendo. Parece desafiar las leyes de la física, Kirchhoff's Laws et.al.

Estoy hablando de tu circuito emisor común saturado estándar.

Se sabe, y aceptamos, que cuando está saturado, el voltaje del colector será menor que el voltaje base. Obviamente usamos eso para nuestra ventaja en los circuitos y elegimos partes para darnos un Vce-Sat lo más bajo posible para una corriente de carga particular.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Todo bien y elegante, hasta que veas el modo por excelencia de un transistor NPN típico ...

ingrese la descripción de la imagen aquí

¿Cómo diablos puede el colector tener un voltaje más bajo que la base en ese emparedado?

Incluso si agrega algo de voltaje de tipo EMF posterior para tenerlo en cuenta, la corriente del colector iría en sentido contrario a través de la unión del colector base.

Trevor_G
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¿Ayuda pensar en los electrones como un impulso de construcción a medida que aceleran a través de Vbe, que los lleva completamente a través de la región base (muy estrecha) hacia el colector? (como girar libremente en su bicicleta cuesta abajo y subir la siguiente colina (más pequeña), ¿perder el giro a la derecha en una pista estrecha en la parte inferior?
Brian Drummond
Parece que podría necesitar descender algunos niveles de abstracción ...
Eugene Sh.
@BrianDrummond, esas son las clásicas respuestas onduladas de la mano de las que estaba hablando que omiten las leyes básicas de EE. Que de alguna manera
aparecen
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Si. Tienes corriente de emisor base. Tienes corriente de colector base. Y tiene colector emisor de corriente. La corriente del colector base es baja hasta que entra en saturación. La razón por la que la corriente base aumenta (con Ic mantenida constante) en la saturación es que parte de la corriente toma un acceso directo a la base yendo al colector.
mkeith
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Puede ser interesante colocar una resistencia de bajo valor entre el colector y la tierra y medir la cantidad de corriente que fluye a tierra a través del colector frente a la ruta esperada (a través del emisor conectado a tierra).
Spehro Pefhany

Respuestas:

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En un transistor bipolar, el emisor tiene un dopaje mucho más alto que la base. Cuando aplica una polarización directa al diodo emisor de base, la corriente fluirá y, debido al mayor dopaje en el emisor, fluyen muchos más electrones desde el emisor hacia la base que los orificios desde la base hacia el emisor.

La corriente en un semiconductor puede fluir a través de dos mecanismos principales: hay corriente de "deriva", donde un campo eléctrico acelera electrones en una determinada dirección. Esa es la forma simple de flujo de corriente a la que todos estamos acostumbrados. También hay una corriente de "difusión", donde los electrones se mueven desde áreas de mayor concentración de electrones hacia áreas de menor concentración, al igual que el agua que penetra en una esponja. Sin embargo, esos electrones difusos no pueden moverse para siempre ya que, en algún momento, golpearán un agujero y se recombinarán. Eso significa que los electrones difusos (libres) en un semiconductor tienen una vida media y una llamada longitud de difusión, que es la distancia promedio que recorren antes de recombinarse con un agujero.

La difusión es el mecanismo por el cual una unión de diodos crea su región de agotamiento.

Ahora, si el diodo emisor de base está polarizado hacia adelante, la región de agotamiento del diodo emisor de base se hace más pequeña y los electrones comienzan a difundirse desde esta unión hacia la base. Sin embargo, dado que el transistor está construido de manera que la longitud de difusión de esos electrones es más larga que la base, muchos de esos electrones pueden difundirse directamente a través de la base sin recombinarse y salir al colector, efectivamente "haciendo un túnel". a través de la base al no interactuar con los agujeros allí. (La recombinación es un proceso aleatorio y no ocurre de inmediato, por lo que la difusión existe en primer lugar).

Entonces, al final, algunos electrones terminan en el colector por movimiento aleatorio. Ahora que están allí, los electrones solo pueden volver a la base cuando superan el voltaje de polarización directa del diodo del colector de base, lo que hace que se "acumulen" en el colector, disminuyendo el voltaje allí, hasta que puedan superar el voltaje unión base-colector y flujo de retorno. (En realidad, este proceso es un equilibrio, por supuesto).

Con los voltajes que aplica a la base, el emisor y el colector, solo crea los campos eléctricos en el semiconductor que causan la deriva de electrones hacia la región de agotamiento, cambiando la concentración de electrones en el cristal, lo que resulta en una corriente de difusión que fluye a través del base. Si bien los electrones individuales están influenciados por los campos eléctricos creados por los voltajes en los terminales del transistor, ellos mismos no tienen voltaje, solo niveles de energía. Dentro de una parte del cristal que generalmente tiene el mismo voltaje, los electrones pueden (y tendrán) energía diferente. De hecho, no hay dos electrones que puedan tener el mismo nivel de energía.

Esto también explica por qué los transistores pueden funcionar en reversa, pero con una ganancia de corriente mucho menor: es más difícil que los electrones se difundan en la región del emisor altamente dopado que en el colector ligeramente dopado ya que la concentración de electrones es bastante alta allí. Eso hace que esta ruta sea menos favorable para los electrones que en el transistor no invertido, por lo que más electrones fluyen directamente de la base y la ganancia es menor.

Jonathan S.
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Jonathon, eso está muy bien y es clásico, pero no explica cómo puedes tener una capa en el medio que tenga un voltaje más alto que el que está arriba.
Trevor_G
@Trevor_G En un semiconductor, no hay realmente "voltajes". Hay campos eléctricos, pero los electrones individuales pueden tener muchos niveles de energía diferentes a pesar de que están en la misma área del cristal. Si ese no fuera el caso, no habría brechas de banda y, por lo tanto, no habría semiconductores. Un electrón ni siquiera tiene voltaje.
Jonathan S.
@ JonathanS .: Mira mi respuesta. Comprender los detalles de los que habla Trevor requiere comprender que los campos / voltajes asociados con la base no son constantes en su área, especialmente durante la saturación.
Dave Tweed
He leído todo esto antes, todavía no explica cómo el voltaje puede ser más bajo en el colector, solo cómo los electrones pasan a través de las regiones de agotamiento. Aunque eludiste brevemente el túnel.
Trevor_G
@Trevor_G La base está dopada positivamente, el colector ligeramente negativo. Como la base es pequeña en comparación con la longitud de difusión de los electrones, podemos suponer una cantidad igual de electrones por área que "aterriza" en la base y el colector después de la difusión. Dado que el colector ya está dopado negativamente, tendrá una mayor concentración de electrones que la base, lo que hará que tenga un voltaje más bajo.
Jonathan S.
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¿Cómo diablos puede el colector tener un voltaje más bajo que la base en ese emparedado?

0.7V0.4V

Por lo tanto, su verdadera pregunta es probablemente: dados esos voltajes aplicados, ¿cómo es que la ley de la física permite que la corriente del colector fluya hacia el colector?

VBEVCB+VCE=0
IC+IB+IE=0,

VBEIB+VCEIC>0.

Estas son las únicas restricciones que la física impone a los voltajes y corrientes terminales en el caso estático. Como puede ver, todas las condiciones anteriores son válidas para un BJT saturado.

Su confusión probablemente proviene de asumir implícitamente un dispositivo lineal , que no es un BJT.

Massimo Ortolano
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Gracias por copiar su respuesta, eliminé el duplicado antes de que su respuesta pareciera lo siento.
Trevor_G
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Parece que el origen de la confusión es asumir que la corriente solo puede ser una corriente de deriva. La corriente de difusión no tiene que obedecer al campo eléctrico, en realidad es el hecho de que puede fluir a pesar de un campo eléctrico opuesto que hace que los transistores sean capaces de ... la acción del transistor.
Sredni Vashtar
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@Trevor_G De sus comentarios, sospecho que piensa que el transporte de electrones es impulsado únicamente por el campo eléctrico, es decir, el gradiente del potencial eléctrico. En realidad, lo que impulsa el transporte de electrones es el potencial electroquímico , que tiene en cuenta la falta de homogeneidad del sistema, debido a las diferentes concentraciones de portadores en las uniones. Es esta falta de homogeneidad la que genera la corriente de difusión.
Massimo Ortolano
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@Trevor_G, como dijo Massimo, es el gradiente de concentración lo que da lugar a una corriente de difusión. De la misma manera, un gas puede expandirse hacia arriba a pesar de la gravedad. Los electrones en un semiconductor son más como un gas (puede moverlos con una bomba, pero también pueden moverse debido a un gradiente de concentración), mientras que en un conductor son más como un líquido (siendo incompresible, necesita una bomba para hacer se mueve). Me parece que se pregunta: ¿cómo puedo hacer que este gas se mueva sin que una bomba empuje en esa dirección?
Sredni Vashtar
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Además, si de alguna manera logró eliminar ese componente de corriente de difusión, por ejemplo, colocando una capa de conductor en el medio de la base, instantáneamente 'condensaría' ese gas en un líquido, que al ser barrido de la base mataría La acción del transistor. Terminará con dos diodos consecutivos, y en ese caso su objeción sobre los potenciales sería válida. El problema es que no puede alcanzar los mismos valores de corriente y potencial que tiene en un transistor.
Sredni Vashtar
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Tenga en cuenta que la base no tiene el mismo voltaje en toda su área. Existe una resistencia irreductible de "lámina" asociada con la base, cuya conexión externa debe estar necesariamente en el borde de la estructura en algún sentido. Como hay una distribución de corriente dentro de esa "hoja", también hay una distribución de voltaje.

Entonces, en saturación, la corriente que fluye hacia la terminal de base pasa a través de ambas uniones de diodo polarizadas hacia adelante (BE y BC), cerca de la terminal de base. La corriente que fue al colector luego fluye al emisor a través de una parte diferente de la base que está más lejos del terminal de la base.

En esencia, la caída de voltaje a través de la resistencia base inherente es lo que permite la distribución de voltaje que vemos en los terminales externos.

Dave Tweed
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Sí, pensé que también podría ser algo así, pero luego me di cuenta de que si ese fuera el caso, los puntos más alejados no estarían sesgados hacia adelante y no conducirían, por lo que la idea se desmorona.
Trevor_G
No, no se desmorona. No hay razón para que algunas regiones no puedan estar sesgadas hacia adelante mientras que otras no. Deje de pensar en términos de elementos de circuitos agrupados: los campos varían continuamente dentro de un transistor, especialmente durante la saturación. Las partes que no están sesgadas hacia adelante están funcionando de la manera "clásica" que Jonathan S. describió.
Dave Tweed
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Los BJT son dispositivos actuales. Cuando se encuentra en la región activa, gran parte de los electrones del emisor (los emisores están fuertemente dopados y son más negativos que la base) entran en la base (ligeramente dopados) y algunos caen en los orificios de la base, pero la mayoría se difunde hacia el colector, lo que causa Ic . Cuando está saturado, el colector también es más negativo que la base, por lo que contribuye con algunos electrones a la base. A medida que el colector contribuye con más electrones a la base (Vbc es más positivo), se deduce que la corriente del colector-emisor será menor. A medida que Vbc se hace más pequeño (Vce (sat) es más alto), la corriente de saturación puede ser más alta. Entonces, una vez en saturación, el voltaje del colector aumenta con la corriente del colector.

Puede ejecutar un transistor con el colector y el emisor invertidos. Dado que el colector está ligeramente dopado en comparación con el emisor, la ganancia es pésima, pero Vce (sat) estará en el rango mV único. En la era previa al FET, utilizamos este enfoque para las entradas analógicas a tierra en muestras y bodegas, etc.

John Birckhead
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Son los diferentes portadores y diferentes modos de movimiento. Hablando de NPN.

A medida que aumenta el voltaje base, los agujeros comienzan a moverse a través de la barrera de potencial de unión BE y obtiene muchos más electrones de regreso. Los electrones se mueven a través de la base por difusión, el movimiento de una concentración alta a una concentración baja no son impulsados ​​por el voltaje.

Terminas con un montón de electrones libres en la unión BC formando una región cargada negativamente y son arrastrados por cualquier voltaje positivo en el colector.

RoyC
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Pregunta realmente interesante, ¿vas a convertir esto en una serie :).
RoyC
Gracias por la descripción y el cumplido de la pregunta. La parte de "son arrastrados por cualquier voltaje positivo en el colector" es una de esas ... sin embargo, no piense demasiado en ellas. Al ser un diodo de polarización inversa, los electrones que se acumulan en el lado de la base deberían apagar ese modo de diodo, no encenderlo. Para encenderlo necesitamos agujeros para apilar allí ... no electrones, o electrones para apilar en el lado del colector de la unión. Algo no cuadra.
Trevor_G
No, no es un diodo si fuera un diodo, tendrías agujeros amontonados allí, no electrones, es por eso que tener dos diodos en serie no produce un transistor.
RoyC
:) Ya entiendo eso, pero todavía hay, según la teoría clásica, una barrera de unión entre la base y el colector. Lo que lo hace diferente de los diodos de atrás hacia atrás es que solo hay un único ánodo o cátodo central muy delgado. De hecho, es interesante, no tan claro como el modelo simple que aceptamos.
Trevor_G
El punto es que es imposible formar una región de agotamiento de diodos en la unión CB en presencia de masas de electrones. En un diodo normal, solo tendría agujeros en el lado P de la unión y el campo los sacaría de la unión. Los electrones atraviesan la unión y le proporcionan la corriente del colector.
RoyC
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POTENCIALES DE LA JUNTA NO RECTIFICADORA. Ese es el truco.

A todos les falta un hecho simple y muy básico. (La mayoría de los libros de texto para principiantes también se pierden esto. Incluso algunos profesores de ingeniería parecen no tener idea.) El hecho: las uniones siempre tienen un voltaje a través de ellas, incluso cuando no están alimentadas, incluso cuando es metal-silicio sin efecto de diodo ... e incluso cuando la unión es hierro-cobre, cromel-alumel, etc.

En otras palabras, si queremos entender todo acerca de los diodos y los transistores, no podemos ignorar la física del termopar y las UNIONES NO RECTIFICANTES. Si lo hacemos, entonces Vce se vuelve inexplicable, un oscuro misterio de la ingeniería.

[más por venir]

wbeaty
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Idealmente, el Vbe coincide con el Vcb y ambos se dirigen hacia adelante con Vce (sat) = 0 en Imax e Ic / Ib = 10.

Como señaló Dave T., la resistencia de expansión de la base Vbe (también conocida como serie efectiva R o ESR) no es uniforme, pero al hacer múltiples pozos de base estrecha en paralelo, el rendimiento mejora.

Cuando la ESR de la unión BE dopada más alta más pequeña es más alta que la ESR más grande de la unión CB, obtenemos un Vbe más alto que Vcb, por lo tanto, Vce (sat) aumenta. La ganancia actual ahora se ha reducido a aproximadamente el 10% del máximo.

  • El proceso epitaxial suele ser más plano que vertical.
  • La implantación de iones se utiliza para el emisor y las uniones de base.
  • RCE
  • muchos más electrones dañados en la base que agujeros en el emisor
  • Como la base se hace muy estrecha, la mayoría de los electrones emisores viajan a través de la base y alcanzan el colector.

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Zetex inventó alrededor de 100 patentes de proceso en torno a esta tecnología epitaxial y ahora como Diodes Inc. tiene muchos productos, aunque los más costosos tienen tamaños de troqueles similares con Rce en los 10's de miliohms en lugar de latas TO-3 obsoletas con Rce en el rango de 1 Ohm. Esto reduce significativamente la disipación de calor a altas corrientes.

ON Semi también tiene sus propias partes de bajo Vce (sat).

Este SOT-23 tiene <13 centavos de volumen y tiene Rce = 45 mOhm máx. Vce max = 12V

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Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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¿Cuál es el problema? El voltaje base crea el campo para que CE lo conduzca
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
No refutación inteligente -1
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75