2.8: Transistores de unión bipolar

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

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) Aplicar polarización inversa a la unión de 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. El voltaje 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 sesgamos 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 necesita exceder 0.6 V para que las portadoras mayoritarias (electrones para NPN) fluyan desde el emisor hacia la base convirtiéndose en portadoras minoritarias en el semiconductor tipo P.

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

Sin embargo, la base se fabrica delgada. Unas pocas portadoras mayoritarias en el emisor, inyectadas como portadoras minoritarias en la base, en realidad se recombinan. Véase la figura a continuación (b). Pocos electrones inyectados por el emisor en la base de un transistor NPN caen en agujeros. Además, pocos electrones que ingresan a la base fluyen directamente a través de la base hasta 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, la modulación de la corriente 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 colector-base polarizado inverso: (a) Agregar polarización directa a la unión base-emisor, da como resultado (b) una corriente base pequeña y grandes corrientes de emisor y colector.

En la figura a continuación analizamos más de cerca el 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. Los electrones, portadores mayoritarios, ingresan al emisor desde el terminal de la batería (-). El flujo de corriente base corresponde a los electrones que salen del terminal base para el terminal de la batería (+). Esto no es más que una pequeña corriente en comparación con la corriente del emisor.

Disposición de electrones que ingresan a la base: (a) Perdidos por recombinación con agujeros de base. b) Fluye plomo base. (c) La mayoría difunden desde el emisor a través de la base delgada hacia la región de agotamiento base-colector, y (d) son barridos rápidamente por el campo eléctrico de la región de agotamiento fuerte hacia el colector.

Los portadores mayoritarios dentro del emisor tipo N son electrones, convirtiéndose en portadores minoritarios al ingresar a la base tipo P. Estos electrones se enfrentan a cuatro posibles destino que entran en la base delgada de tipo P. Algunos en la Figura anterior (a) caen en agujeros en la base que contribuyen al flujo de corriente base al terminal de la batería (+). No se muestra, los agujeros en la base pueden difundirse hacia 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 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 base. Observe la polaridad de la región de agotamiento que rodea al electrón en (d). El fuerte campo eléctrico barre el electrón rápidamente hacia el colector. La intensidad del campo es proporcional al voltaje de la batería colectora. Así, el 99% de la corriente del emisor fluye hacia el colector. Está controlado por la corriente base, que es 1% de la corriente del emisor. Se trata de una ganancia de corriente potencial de 99, la relación de I _{C/I B}, también conocida como beta, β.

Esta magia, la difusión del 99% de los portadores emisores a través de la base, sólo es posible si la base es muy delgada. ¿Cuál sería el destino de los portadores minoritarios de base en una base 100 veces más gruesa? Uno esperaría que la tasa de recombinación, electrones cayendo en agujeros, fuera mucho mayor. Quizás el 99%, en lugar del 1%, caería en agujeros, nunca llegando al colector. El segundo punto a hacer 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 hacia el colector. Si todo fluye fuera de la base, no es posible ningún control.

Otra característica que explica el paso del 99% de los electrones de emisor a colector es que los transistores de unión bipolar reales utilizan un pequeño emisor fuertemente 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 menos agujeros se difunden en el emisor, lo que aumentaría la corriente base. La difusión de portadores del emisor a la base es fuertemente favorecida.

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

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

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

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 estar sesgada hacia delante en ambos casos. La base en un transistor PNP es polarizada negativa (b) en comparación con positiva (a) para un NPN. En ambos casos, la unión base-colector es de 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 discreta del dispositivo, (b) símbolo esquemático, (c) sección transversal del circuito integrado.

Tenga en cuenta que el BJT en la Figura anterior (a) tiene dopaje pesado en el emisor como lo indica la notación N ⁺. La base tiene un nivel normal de dopante P. La base es mucho más delgada de lo que muestra la sección transversal no 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 un voltaje de fuente de alimentación de colector alto permisible. Los transistores de silicio de señal pequeña tienen un voltaje de ruptura de 60-80 V. Sin embargo, puede funcionar a cientos de voltios para transistores de alto voltaje. El colector también necesita estar fuertemente dopado para minimizar las pérdidas óhmicas si el transistor debe manejar alta corriente. Estos requisitos contradictorios se cumplen dopando más fuertemente al colector en el área de contacto metálica. El colector cerca de la base está ligeramente dopado en comparación con el emisor. El dopaje pesado 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.

La matriz BJT, una pieza de una oblea semiconductora cortada y cortada en cubitos, está montada en un colector hasta una caja metálica para transistores de potencia. Es decir, la caja metálica está conectada eléctricamente al colector. Un pequeño troquel de señal puede estar encapsulado en epoxi. En los transistores de potencia, los cables de unión de aluminio conectan la base y el emisor a los cables del paquete. Los troqueles de transistores de señal pequeños pueden montarse directamente en los cables conductores. Pueden fabricarse múltiples transistores en un solo dado llamado circuito integrado. Incluso el colector puede estar unido a un cable en lugar de la caja. El circuito integrado puede contener cableado interno de los transistores y otros componentes integrados. El BJT integrado que se muestra en (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 fuertemente dopada, N ⁺ en comparación con la base y el colector para mejorar la eficiencia del emisor.

Los transistores PNP discretos son casi de la misma calidad que la contraparte NPN. Sin embargo, los transistores PNP integrados no son casi buenos como la variedad NPN dentro de la misma matriz de circuito integrado. Así, los circuitos integrados utilizan la variedad NPN tanto como sea posible.

Revisar

• Los transistores bipolares conducen corriente usando electrones y agujeros en el mismo dispositivo.
• El funcionamiento de un transistor bipolar como amplificador de corriente requiere que la unión colector-base sea polarizada inversa y la unión emisor-base esté polarizada hacia delante.
• Un transistor difiere de un par de diodos espalda con espalda en que la base, la capa central, es muy delgada. Esto permite que las portadoras mayoritarias del emisor se difundan como portadoras minoritarias a través de la base hacia la región de agotamiento de la unión base-colector, donde el fuerte campo eléctrico las recoge.
• La eficiencia del emisor se mejora con el dopaje más pesado en comparación con el colector. Eficiencia del emisor: α = I _{C/I E}, 0.99 para dispositivos de señal pequeños
• La ganancia de corriente es β=I _{C/I B}, 100 a 300 para transistores de señal pequeña.