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Todo sobre los transistores de unión bipolar (BJT)
2024-03-21
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El origen de los transistores de unión bipolares
En los transistores de unión bipolar modernos, el silicio ha reemplazado al germanio como sustrato y el contacto puntual ha sido reemplazado por dos uniones pn acopladas adyacentes. La estructura puede tomar la forma de pnp o npn.
Un transistor, abreviatura de "resistencia de transferencia", es un dispositivo semiconductor de uniones múltiples. Normalmente integrados con otros componentes del circuito, los transistores se utilizan para lograr amplificación de potencia de señal, corriente o voltaje.
Los transistores bipolares, también conocidos como transistores de unión bipolar (BJT), se encuentran entre los dispositivos semiconductores más importantes y encuentran amplias aplicaciones en circuitos de alta velocidad, circuitos analógicos, amplificación de potencia y más.
Por ejemplo, un semiconductor tipo p es como un trozo cuadrado de arcilla lleno de muchos agujeros (conocidos como agujeros de electrones), similares a las madrigueras que se ven en las langostas. Un semiconductor tipo n también es un trozo cuadrado de arcilla, pero está lleno de muchas langostas (electrones libres). Cuando peguemos estos dos trozos de arcilla, las langostas se arrastrarán hacia las madrigueras.
Como las madrigueras de las primeras filas ya están casi agotadas, la industria de semiconductores se refiere a esta zona como la región de agotamiento.
Es como una puerta: es fácil para una persona empujar la puerta para abrirla en una dirección, pero es difícil si intentas empujarla en la dirección opuesta. Por supuesto, se puede utilizar una gran fuerza para empujar violentamente la puerta hasta que se rompa, proceso al que nos referimos como ruptura de la unión.
Al observar las características de corriente-voltaje de una unión PN, la curva se muestra en el siguiente diagrama.
Cuando se aplica una polarización inversa a una unión PN, es como darles a las langostas telescopios en el barro. Las langostas pueden ver más lejos y gatear con más entusiasmo, lo que hace que más langostas encuentren madrigueras. En consecuencia, el movimiento general de las langostas aumenta y la anchura de la región de agotamiento del semiconductor se expande.
El siguiente diagrama muestra una vista en perspectiva de un transistor bipolar pnp. El proceso de fabricación implica el uso de un semiconductor tipo p como sustrato, utilizando el principio de difusión térmica para crear una región de tipo n en el sustrato tipo p. Posteriormente, se forma una región de tipo p+ de alta concentración en esta región de tipo n mediante difusión térmica. Finalmente, se utiliza metal para cubrir las regiones p+, n y de tipo p subyacentes para formar contactos óhmicos.
La región intermedia estrecha de tipo n, con una concentración moderada de impurezas, se llama base (indicada por B), y el ancho de la región base debe ser mucho menor que la longitud de difusión de los portadores minoritarios;
La región con la concentración más baja de tipo p se llama colector (indicada por C). Suponiendo una distribución uniforme de las concentraciones dentro de cada región, el concepto de unión pn se puede aplicar directamente a las uniones dentro del transistor.
Reemplazar las regiones de tipo p con regiones de tipo n y la región de tipo n con una región de tipo p en la estructura de un transistor bipolar pnp produce la estructura de un transistor bipolar npn. Por lo tanto, la dirección de la corriente y la polaridad del voltaje también se invierten.
El diagrama (a) muestra el transistor bipolar pnp ideal en equilibrio térmico, donde sus tres terminales están conectados entre sí o todos conectados a tierra, con regiones sombreadas que representan las regiones de agotamiento de las dos uniones pn.
El diagrama (b) ilustra las concentraciones de impurezas en las tres regiones dopadas, donde la región emisora tiene una concentración de dopaje mucho mayor que la región colectora y la región base tiene una concentración menor que la del emisor pero mayor que la del colector.
El diagrama (c) muestra la distribución del campo eléctrico en la región de agotamiento.
El diagrama (d) muestra el diagrama de bandas de energía del transistor, extendiendo el estado de equilibrio térmico de las uniones pn y aplicándolo a las dos uniones p+ - n acopladas adyacentes y a la unión n - p.
El diagrama (a) muestra el transistor conectado como un amplificador de configuración de base común, donde la base se comparte entre los circuitos de entrada y salida.
Los diagramas (b) y (c) ilustran la densidad de carga y la distribución del campo eléctrico en condiciones de polarización, en comparación con el estado de equilibrio térmico representado en el diagrama anterior. La anchura de la región de agotamiento en la unión emisor-base se estrecha, mientras que la región de agotamiento en la unión colector-base se ensancha.
El diagrama (d) muestra el diagrama de bandas de energía del transistor que funciona en modo de amplificación. La unión emisor-base está polarizada directamente, lo que provoca que se inyecten huecos desde la región del emisor p+ a la región de la base, y que se inyecten electrones desde la región de la base a la región del emisor.
Por otro lado, la unión colector-base tiene polarización inversa, lo que permite que fluya una corriente de saturación inversa. Si la región de la base es lo suficientemente estrecha, los orificios inyectados desde la región del emisor en la región de la base pueden difundirse a través de la región de la base y alcanzar el borde de la región de agotamiento de la base del colector, fluyendo finalmente a través de la región del colector bajo la polarización del colector. unión de bases.
Este mecanismo de transporte da lugar a los nombres de "emisor" para inyectar portadores de carga y "colector" para recoger los portadores inyectados desde la unión adyacente.
Si la mayoría de los huecos inyectados no se recombinan con los electrones en la región de la base sino que llegan al colector, la corriente del colector debida a los huecos coincidirá estrechamente con la corriente del hueco del emisor.
Es evidente que los orificios inyectados desde la unión emisor-base adyacente pueden generar una corriente significativa en la unión colector-base con polarización inversa, lo que lleva al efecto de amplificación del transistor, que se produce sólo cuando estas dos uniones están lo suficientemente cerca entre sí. de ahí que se las denomine uniones pn interactuantes.
Por el contrario, si estas dos uniones pn están demasiado separadas, todos los huecos entrantes se recombinarán con los electrones en la región base y no llegarán a la región colectora, lo que no producirá ningún efecto de amplificación del transistor. En este caso, la estructura pnp simplemente actúa como dos diodos pn conectados espalda con espalda.
Ganancia de corriente: el siguiente diagrama ilustra los diversos componentes de corriente en un transistor pnp ideal que funciona en modo de amplificación. Suponiendo que no haya corriente de generación-recombinación en la región de agotamiento, los orificios inyectados desde la región del emisor constituyen el componente de corriente predominante IEp.
En la base hay tres corrientes: IBB, IEn e ICn.
IBB representa la corriente de electrones suministrada por la base que se recombinan con los huecos incidentes (es decir, IBB = IEp - ICp); IEn representa la corriente de electrones inyectada desde la región base a la región del emisor, que es un componente de corriente indeseable que puede reducirse mediante un fuerte dopaje del emisor o utilizando heterouniones; ICn representa la corriente de electrones generada cerca de la unión del colector debido a efectos térmicos, que fluye desde la región del colector hasta la región de la base.
Modos de funcionamiento: Dependiendo de los voltajes de polarización en la unión emisor-base y en la unión colector-base, los transistores bipolares tienen cuatro modos de funcionamiento.
El siguiente diagrama ilustra los cuatro modos de funcionamiento de un transistor pnp y sus relaciones con VEB y VCB. En el diagrama también se muestra la distribución de operadores minoritarios en cada modo de operación.
Por ejemplo, en el modo de amplificación, la unión emisor-base tiene polarización directa y la unión colector-base tiene polarización inversa.
En el modo de saturación, ambas uniones del transistor están polarizadas directamente, lo que lleva a la presencia de portadores minoritarios en las regiones de agotamiento de ambas uniones.
En el modo de saturación, un voltaje pequeño puede resultar en una corriente de salida grande, poniendo al transistor en un estado de conducción similar a un cortocircuito.
En el modo de corte, ambas uniones del transistor tienen polarización inversa, lo que lleva a condiciones de contorno de pn(0) = pn(W) = 0. El transistor en modo de corte puede verse como un interruptor en la posición abierta (o apagada). .
En el modo invertido, la unión emisor-base tiene polarización inversa y la unión colector-base tiene polarización directa. En este modo, el electrodo colector funciona como emisor y viceversa. Sin embargo, la ganancia de corriente en el modo invertido suele ser menor que en el modo de amplificación debido a la menor concentración de dopaje en la región del colector en comparación con la región de la base, lo que resulta en una menor "eficiencia de emisión".
Proceso transitorio de conmutación: en los circuitos digitales, los transistores actúan principalmente como interruptores. Al utilizar una pequeña corriente de base, la corriente del colector se puede cambiar rápidamente de apagado a encendido (y viceversa) en muy poco tiempo. En el estado apagado, hay alto voltaje y baja corriente, mientras que en el estado encendido, hay bajo voltaje y alta corriente.
Transistores bipolares de heterounión (HBT)
Los transistores bipolares de heterounión (HBT) se refieren a transistores en los que una o ambas uniones están hechas de diferentes materiales semiconductores.
La principal ventaja de los HBT es su alta eficiencia de emisión y se utilizan de manera similar a los transistores bipolares. Sin embargo, los HBT tienen mayor velocidad y pueden funcionar a frecuencias más altas. Debido a estas características, los HBT se utilizan ampliamente en aplicaciones optoelectrónicas, de microondas y digitales. En aplicaciones de microondas, los HBT se utilizan comúnmente para fabricar amplificadores de potencia, osciladores y mezcladores de microondas y ondas milimétricas de estado sólido.
Estructura básica de HBT: la mayoría de las tecnologías HBT se desarrollan en el sistema de materiales AlxGa1-xAs/GaAs. La estructura básica de npn HBT consta de una capa de banda prohibida ancha AlxGa1-xAs en la región emisora de tipo n, una capa de GaAs de banda prohibida más estrecha en la región base de tipo p y regiones colectoras y subcolectoras de tipo n hechas de materiales ligeramente dopados y fuertemente dopados. GaAs, respectivamente.
HBT avanzados: en los últimos años se han investigado sistemáticamente materiales de la serie InP (como InP/InGaAs o AlInAs/InGaAs) y las heteroestructuras basadas en InP ofrecen numerosas ventajas. La estructura de InP/InGaAs muestra una recombinación superficial extremadamente baja y la movilidad electrónica del InGaAs es mucho mayor que la del GaAs, lo que da como resultado un excelente rendimiento de alta frecuencia.
El siguiente gráfico muestra la curva característica de un HBT típico basado en fosfuro de indio, con una frecuencia de corte que alcanza hasta 254 GHz. Además, el InP demuestra una mayor velocidad de deriva que el GaAs bajo campos eléctricos intensos y también tiene un voltaje de ruptura más alto.
La baja densidad de las trampas de interfaz de silicio ayuda a reducir la corriente de recombinación superficial, lo que garantiza una alta ganancia de corriente incluso con corrientes de colector bajas. Además, la compatibilidad con la tecnología de procesamiento de silicio estándar es otra característica muy atractiva.
El diagrama en (a) ilustra una estructura típica de Si/SiGe HBT, mientras que (b) compara la corriente del colector del Si/SiGe HBT con la de un transistor bipolar de homounión de silicio, lo que muestra que el Si/SiGe HBT exhibe una mayor ganancia de corriente. En comparación con los HBT basados en arseniuro de galio y fosfuro de indio, el Si/SiGe
HBT tiene una frecuencia de corte más baja debido a la menor movilidad del portador del silicio.
Características básicas: el siguiente diagrama ilustra la sección transversal de un dispositivo tiristor, que consta de una estructura pnpn de cuatro capas formada por tres uniones pn conectadas en serie, a saber, J1, J2 y J3. La capa p más externa conectada al electrodo de contacto se llama ánodo, mientras que la capa n del otro lado se llama cátodo. Esta estructura, sin electrodos adicionales, representa un dispositivo de dos terminales y se conoce como diodo pnpn.
El diagrama (c) ilustra el diagrama de bandas de energía del dispositivo tiristor en equilibrio térmico. Cada unión tiene una capa de agotamiento y el potencial incorporado está determinado por la concentración de dopaje.
Si el pulso de corriente de la puerta se aplica cerca del comienzo de cada ciclo, se transferirá más potencia a la carga. Por el contrario, retrasar el pulso de corriente de la compuerta dará como resultado una potencia significativamente reducida que se entrega a la carga a medida que el dispositivo tiristor conduce hacia el final del ciclo.
El transistor de unión bipolar fue inventado por un equipo de investigación de los Laboratorios Bell en 1947. El primer transistor constaba de dos cables metálicos con puntas afiladas que hacían contacto puntual con un sustrato de germanio. Si bien primitivo para los estándares actuales, este primer transistor transformó significativamente toda la industria electrónica y la forma de vida de la humanidad.
En los transistores de unión bipolar modernos, el silicio ha reemplazado al germanio como sustrato y el contacto puntual ha sido reemplazado por dos uniones pn acopladas adyacentes. La estructura puede tomar la forma de pnp o npn.
Un transistor, abreviatura de "resistencia de transferencia", es un dispositivo semiconductor de uniones múltiples. Normalmente integrados con otros componentes del circuito, los transistores se utilizan para lograr amplificación de potencia de señal, corriente o voltaje.
Los transistores bipolares, también conocidos como transistores de unión bipolar (BJT), se encuentran entre los dispositivos semiconductores más importantes y encuentran amplias aplicaciones en circuitos de alta velocidad, circuitos analógicos, amplificación de potencia y más.
¿Qué es una unión PN?
Es una unión formada por el contacto entre un semiconductor tipo p y un semiconductor tipo n.
Por ejemplo, un semiconductor tipo p es como un trozo cuadrado de arcilla lleno de muchos agujeros (conocidos como agujeros de electrones), similares a las madrigueras que se ven en las langostas. Un semiconductor tipo n también es un trozo cuadrado de arcilla, pero está lleno de muchas langostas (electrones libres). Cuando peguemos estos dos trozos de arcilla, las langostas se arrastrarán hacia las madrigueras.
Las langostas más avanzadas son las primeras en encontrar las madrigueras en la primera fila. Una vez que las langostas de la primera fila se han metido en las madrigueras, las langostas detrás de ellas tienen que trepar más y enfrentar mayores dificultades para encontrar madrigueras.
Como las madrigueras de las primeras filas ya están casi agotadas, la industria de semiconductores se refiere a esta zona como la región de agotamiento.
La unión PN tiene una característica llamada rectificación, que permite que la corriente fluya en una sola dirección.
Es como una puerta: es fácil para una persona empujar la puerta para abrirla en una dirección, pero es difícil si intentas empujarla en la dirección opuesta. Por supuesto, se puede utilizar una gran fuerza para empujar violentamente la puerta hasta que se rompa, proceso al que nos referimos como ruptura de la unión.
Al observar las características de corriente-voltaje de una unión PN, la curva se muestra en el siguiente diagrama.
Cuando se aplica una polarización directa a una unión PN, es como vendar los ojos a las langostas en el barro. Las langostas se vuelven miopes y sólo pueden ver las madrigueras de la primera fila. Como resultado, el movimiento general de las langostas disminuye y el número de langostas que se arrastran hacia las madrigueras también disminuye, lo que reduce el ancho de la región de agotamiento.
Cuando se aplica una polarización inversa a una unión PN, es como darles a las langostas telescopios en el barro. Las langostas pueden ver más lejos y gatear con más entusiasmo, lo que hace que más langostas encuentren madrigueras. En consecuencia, el movimiento general de las langostas aumenta y la anchura de la región de agotamiento del semiconductor se expande.
En la figura siguiente, (a) representa el ancho normal de la región de agotamiento en una unión PN, (b) muestra el ancho después de aplicar una polarización directa y (c) muestra el ancho después de aplicar una polarización inversa.
La estructura de un transistor bipolar:
El siguiente diagrama muestra una vista en perspectiva de un transistor bipolar pnp. El proceso de fabricación implica el uso de un semiconductor tipo p como sustrato, utilizando el principio de difusión térmica para crear una región de tipo n en el sustrato tipo p. Posteriormente, se forma una región de tipo p+ de alta concentración en esta región de tipo n mediante difusión térmica. Finalmente, se utiliza metal para cubrir las regiones p+, n y de tipo p subyacentes para formar contactos óhmicos.
El transistor bipolar pnp consta de tres regiones con diferentes concentraciones de dopaje, formando dos uniones pn. La región p+ de mayor concentración se denomina emisor (indicada por E);
La región intermedia estrecha de tipo n, con una concentración moderada de impurezas, se llama base (indicada por B), y el ancho de la región base debe ser mucho menor que la longitud de difusión de los portadores minoritarios;
La región con la concentración más baja de tipo p se llama colector (indicada por C). Suponiendo una distribución uniforme de las concentraciones dentro de cada región, el concepto de unión pn se puede aplicar directamente a las uniones dentro del transistor.
El siguiente diagrama muestra el símbolo del circuito de un transistor bipolar pnp, indicando los distintos componentes de corriente y polaridades de voltaje. Las flechas y los símbolos "+" y "–" representan las direcciones de las corrientes y las polaridades de los voltajes en el modo de funcionamiento general (es decir, modo de amplificación, modo activo) del transistor. En este modo, la unión emisor-base tiene polarización directa (VEB > 0), mientras que la unión colector-base tiene polarización inversa (VCB < 0). De acuerdo a
Ley del circuito de Kirchhoff, para este dispositivo de tres terminales, sólo hay dos corrientes independientes; si se conocen dos corrientes cualesquiera, se puede determinar la corriente del tercer terminal.
Ley del circuito de Kirchhoff, para este dispositivo de tres terminales, sólo hay dos corrientes independientes; si se conocen dos corrientes cualesquiera, se puede determinar la corriente del tercer terminal.
La estructura y el símbolo del circuito de un transistor bipolar npn son complementarios a los de un transistor bipolar pnp. El siguiente diagrama muestra la estructura ideal y el símbolo del circuito de un transistor pnp.
Reemplazar las regiones de tipo p con regiones de tipo n y la región de tipo n con una región de tipo p en la estructura de un transistor bipolar pnp produce la estructura de un transistor bipolar npn. Por lo tanto, la dirección de la corriente y la polaridad del voltaje también se invierten.
Al comprender el transistor pnp, se puede describir el transistor npn simplemente intercambiando la polaridad y los tipos de dopaje.
IV. Modo de amplificación de transistor bipolar
El diagrama (a) muestra el transistor bipolar pnp ideal en equilibrio térmico, donde sus tres terminales están conectados entre sí o todos conectados a tierra, con regiones sombreadas que representan las regiones de agotamiento de las dos uniones pn.
El diagrama (b) ilustra las concentraciones de impurezas en las tres regiones dopadas, donde la región emisora tiene una concentración de dopaje mucho mayor que la región colectora y la región base tiene una concentración menor que la del emisor pero mayor que la del colector.
El diagrama (c) muestra la distribución del campo eléctrico en la región de agotamiento.
El diagrama (d) muestra el diagrama de bandas de energía del transistor, extendiendo el estado de equilibrio térmico de las uniones pn y aplicándolo a las dos uniones p+ - n acopladas adyacentes y a la unión n - p.
El siguiente diagrama corresponde al transistor funcionando en modo amplificación como se muestra en la ilustración anterior.
El diagrama (a) muestra el transistor conectado como un amplificador de configuración de base común, donde la base se comparte entre los circuitos de entrada y salida.
Los diagramas (b) y (c) ilustran la densidad de carga y la distribución del campo eléctrico en condiciones de polarización, en comparación con el estado de equilibrio térmico representado en el diagrama anterior. La anchura de la región de agotamiento en la unión emisor-base se estrecha, mientras que la región de agotamiento en la unión colector-base se ensancha.
El diagrama (d) muestra el diagrama de bandas de energía del transistor que funciona en modo de amplificación. La unión emisor-base está polarizada directamente, lo que provoca que se inyecten huecos desde la región del emisor p+ a la región de la base, y que se inyecten electrones desde la región de la base a la región del emisor.
En un diodo ideal, no hay corriente de generación-recombinación en la región de agotamiento, por lo que los huecos inyectados desde la región del emisor a la región base y los electrones inyectados desde la región base a la región del emisor constituyen la corriente del emisor.
Por otro lado, la unión colector-base tiene polarización inversa, lo que permite que fluya una corriente de saturación inversa. Si la región de la base es lo suficientemente estrecha, los orificios inyectados desde la región del emisor en la región de la base pueden difundirse a través de la región de la base y alcanzar el borde de la región de agotamiento de la base del colector, fluyendo finalmente a través de la región del colector bajo la polarización del colector. unión de bases.
Este mecanismo de transporte da lugar a los nombres de "emisor" para inyectar portadores de carga y "colector" para recoger los portadores inyectados desde la unión adyacente.
Si la mayoría de los huecos inyectados no se recombinan con los electrones en la región de la base sino que llegan al colector, la corriente del colector debida a los huecos coincidirá estrechamente con la corriente del hueco del emisor.
Es evidente que los orificios inyectados desde la unión emisor-base adyacente pueden generar una corriente significativa en la unión colector-base con polarización inversa, lo que lleva al efecto de amplificación del transistor, que se produce sólo cuando estas dos uniones están lo suficientemente cerca entre sí. de ahí que se las denomine uniones pn interactuantes.
Por el contrario, si estas dos uniones pn están demasiado separadas, todos los huecos entrantes se recombinarán con los electrones en la región base y no llegarán a la región colectora, lo que no producirá ningún efecto de amplificación del transistor. En este caso, la estructura pnp simplemente actúa como dos diodos pn conectados espalda con espalda.
Ganancia de corriente: el siguiente diagrama ilustra los diversos componentes de corriente en un transistor pnp ideal que funciona en modo de amplificación. Suponiendo que no haya corriente de generación-recombinación en la región de agotamiento, los orificios inyectados desde la región del emisor constituyen el componente de corriente predominante IEp.
La mayoría de los agujeros incidentes llegarán al electrodo colector y formarán ICp.
En la base hay tres corrientes: IBB, IEn e ICn.
IBB representa la corriente de electrones suministrada por la base que se recombinan con los huecos incidentes (es decir, IBB = IEp - ICp); IEn representa la corriente de electrones inyectada desde la región base a la región del emisor, que es un componente de corriente indeseable que puede reducirse mediante un fuerte dopaje del emisor o utilizando heterouniones; ICn representa la corriente de electrones generada cerca de la unión del colector debido a efectos térmicos, que fluye desde la región del colector hasta la región de la base.
Modos de funcionamiento: Dependiendo de los voltajes de polarización en la unión emisor-base y en la unión colector-base, los transistores bipolares tienen cuatro modos de funcionamiento.
El siguiente diagrama ilustra los cuatro modos de funcionamiento de un transistor pnp y sus relaciones con VEB y VCB. En el diagrama también se muestra la distribución de operadores minoritarios en cada modo de operación.
Por ejemplo, en el modo de amplificación, la unión emisor-base tiene polarización directa y la unión colector-base tiene polarización inversa.
En el modo de saturación, ambas uniones del transistor están polarizadas directamente, lo que lleva a la presencia de portadores minoritarios en las regiones de agotamiento de ambas uniones.
En el modo de saturación, un voltaje pequeño puede resultar en una corriente de salida grande, poniendo al transistor en un estado de conducción similar a un cortocircuito.
En el modo de corte, ambas uniones del transistor tienen polarización inversa, lo que lleva a condiciones de contorno de pn(0) = pn(W) = 0. El transistor en modo de corte puede verse como un interruptor en la posición abierta (o apagada). .
En el modo invertido, la unión emisor-base tiene polarización inversa y la unión colector-base tiene polarización directa. En este modo, el electrodo colector funciona como emisor y viceversa. Sin embargo, la ganancia de corriente en el modo invertido suele ser menor que en el modo de amplificación debido a la menor concentración de dopaje en la región del colector en comparación con la región de la base, lo que resulta en una menor "eficiencia de emisión".
Proceso transitorio de conmutación: en los circuitos digitales, los transistores actúan principalmente como interruptores. Al utilizar una pequeña corriente de base, la corriente del colector se puede cambiar rápidamente de apagado a encendido (y viceversa) en muy poco tiempo. En el estado apagado, hay alto voltaje y baja corriente, mientras que en el estado encendido, hay bajo voltaje y alta corriente.
Transistores bipolares de heterounión (HBT)
Los transistores bipolares de heterounión (HBT) se refieren a transistores en los que una o ambas uniones están hechas de diferentes materiales semiconductores.
La principal ventaja de los HBT es su alta eficiencia de emisión y se utilizan de manera similar a los transistores bipolares. Sin embargo, los HBT tienen mayor velocidad y pueden funcionar a frecuencias más altas. Debido a estas características, los HBT se utilizan ampliamente en aplicaciones optoelectrónicas, de microondas y digitales. En aplicaciones de microondas, los HBT se utilizan comúnmente para fabricar amplificadores de potencia, osciladores y mezcladores de microondas y ondas milimétricas de estado sólido.
Estructura básica de HBT: la mayoría de las tecnologías HBT se desarrollan en el sistema de materiales AlxGa1-xAs/GaAs. La estructura básica de npn HBT consta de una capa de banda prohibida ancha AlxGa1-xAs en la región emisora de tipo n, una capa de GaAs de banda prohibida más estrecha en la región base de tipo p y regiones colectoras y subcolectoras de tipo n hechas de materiales ligeramente dopados y fuertemente dopados. GaAs, respectivamente.
Para formar un contacto óhmico, se agrega una capa de arseniuro de galio tipo n altamente dopada entre el contacto del emisor y la capa de arseniuro de galio y aluminio. Debido a la diferencia significativa en el ancho de banda prohibida entre las regiones del emisor y la base, la ganancia de corriente del emisor común se puede aumentar significativamente. Por el contrario, los transistores bipolares de homounión no tienen tal diferencia de ancho de banda prohibida y, por lo tanto, la relación de concentración de dopaje entre las regiones del emisor y la base debe aumentar significativamente. Esta diferencia fundamental distingue los transistores bipolares de homounión de los de heterounión.
HBT avanzados: en los últimos años se han investigado sistemáticamente materiales de la serie InP (como InP/InGaAs o AlInAs/InGaAs) y las heteroestructuras basadas en InP ofrecen numerosas ventajas. La estructura de InP/InGaAs muestra una recombinación superficial extremadamente baja y la movilidad electrónica del InGaAs es mucho mayor que la del GaAs, lo que da como resultado un excelente rendimiento de alta frecuencia.
El siguiente gráfico muestra la curva característica de un HBT típico basado en fosfuro de indio, con una frecuencia de corte que alcanza hasta 254 GHz. Además, el InP demuestra una mayor velocidad de deriva que el GaAs bajo campos eléctricos intensos y también tiene un voltaje de ruptura más alto.
Otro tipo de heterounión es el sistema de material Si/SiGe, que ofrece varias características atractivas para aplicaciones HBT. Al igual que el HBT AlGaAs/GaAs, el HBT Si/SiGe también se beneficia de la capacidad de doparse en gran medida debido a la diferencia de ancho de banda prohibida, lo que resulta en un rendimiento de alta velocidad.
La baja densidad de las trampas de interfaz de silicio ayuda a reducir la corriente de recombinación superficial, lo que garantiza una alta ganancia de corriente incluso con corrientes de colector bajas. Además, la compatibilidad con la tecnología de procesamiento de silicio estándar es otra característica muy atractiva.
El diagrama en (a) ilustra una estructura típica de Si/SiGe HBT, mientras que (b) compara la corriente del colector del Si/SiGe HBT con la de un transistor bipolar de homounión de silicio, lo que muestra que el Si/SiGe HBT exhibe una mayor ganancia de corriente. En comparación con los HBT basados en arseniuro de galio y fosfuro de indio, el Si/SiGe
HBT tiene una frecuencia de corte más baja debido a la menor movilidad del portador del silicio.
Sección VI: Dispositivos de tiristores y dispositivos de potencia relacionados
Los dispositivos de tiristores son componentes de potencia cruciales capaces de controlar alto voltaje y alta corriente, lo que permite que el dispositivo pase de un estado cerrado o bloqueado a un estado abierto o conductor, y viceversa. Su funcionamiento está estrechamente relacionado con el de los transistores bipolares, implicando la conducción tanto de electrones como de huecos.
Sin embargo, su mecanismo y estructura de conmutación difieren de los transistores bipolares y ofrecen una amplia gama de capacidades de control de corriente y voltaje. La corriente nominal puede variar desde unos pocos miliamperios hasta más de 5000 A, con una tensión nominal superior a 10,000 XNUMX V.
Sin embargo, su mecanismo y estructura de conmutación difieren de los transistores bipolares y ofrecen una amplia gama de capacidades de control de corriente y voltaje. La corriente nominal puede variar desde unos pocos miliamperios hasta más de 5000 A, con una tensión nominal superior a 10,000 XNUMX V.
Características básicas: el siguiente diagrama ilustra la sección transversal de un dispositivo tiristor, que consta de una estructura pnpn de cuatro capas formada por tres uniones pn conectadas en serie, a saber, J1, J2 y J3. La capa p más externa conectada al electrodo de contacto se llama ánodo, mientras que la capa n del otro lado se llama cátodo. Esta estructura, sin electrodos adicionales, representa un dispositivo de dos terminales y se conoce como diodo pnpn.
Si se conecta otro electrodo, conocido como puerta, a la capa p2 interna, el dispositivo de tres terminales resultante se llama rectificador controlado por semiconductores (SCR) o tiristor.
El diagrama en (b) muestra un perfil de dopaje típico de un dispositivo de tiristores. Comienza con una oblea de silicio tipo n de alta resistividad como material de partida (capa n), seguida de un paso de difusión para formar simultáneamente las capas p1 y p2. Por último, se utiliza aleación o difusión para crear la capa de n2 en un lado de la oblea de silicio.
El diagrama (c) ilustra el diagrama de bandas de energía del dispositivo tiristor en equilibrio térmico. Cada unión tiene una capa de agotamiento y el potencial incorporado está determinado por la concentración de dopaje.
El diagrama ilustra una aplicación simple de un dispositivo tiristor, que puede ajustar la potencia entregada desde la línea eléctrica a la carga. La carga, RL, podría ser, por ejemplo, una bombilla o un calefactor. La potencia entregada a la carga en cada ciclo está controlada por el pulso de corriente de compuerta del dispositivo tiristor.
Si el pulso de corriente de la puerta se aplica cerca del comienzo de cada ciclo, se transferirá más potencia a la carga. Por el contrario, retrasar el pulso de corriente de la compuerta dará como resultado una potencia significativamente reducida que se entrega a la carga a medida que el dispositivo tiristor conduce hacia el final del ciclo.
Esta es toda la información sobre los transistores bipolares.
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