Linha de Apoio
Colunista
Colunista
Tudo sobre transistores de junção bipolar (BJTs)
2024-03-21
2597
A origem dos transistores de junção bipolar
Nos modernos transistores de junção bipolar, o silício substituiu o germânio como substrato, e o contato pontual foi substituído por duas junções pn acopladas adjacentes. A estrutura pode assumir a forma de pnp ou npn.
Um transistor, abreviação de "resistor de transferência", é um dispositivo semicondutor de múltiplas junções. Normalmente integrados com outros componentes do circuito, os transistores são usados para obter amplificação de tensão, corrente ou potência de sinal.
Os transistores bipolares, também conhecidos como transistores de junção bipolar (BJTs), estão entre os dispositivos semicondutores mais importantes e encontram amplas aplicações em circuitos de alta velocidade, circuitos analógicos, amplificação de potência e muito mais.
Por exemplo, um semicondutor do tipo p é como um pedaço quadrado de argila preenchido com muitos buracos (conhecidos como buracos de elétrons), semelhantes às tocas vistas nas lagostas. Um semicondutor do tipo n também é um pedaço quadrado de argila, mas é preenchido com muitas lagostas (elétrons livres). Quando juntarmos esses dois pedaços de barro, as lagostas rastejarão em direção às tocas.
Como as tocas nas primeiras filas já estão quase esgotadas, a indústria de semicondutores refere-se a esta área como região de esgotamento.
É como uma porta: é fácil para uma pessoa empurrar a porta em uma direção, mas é difícil se você tentar empurrá-la na direção oposta. Claro, você pode usar uma grande força para empurrar violentamente a porta até que ela quebre, um processo que chamamos de quebra da junção.
Observando as características de corrente-tensão de uma junção PN, a curva é mostrada no diagrama abaixo.
Quando uma polarização reversa é aplicada a uma junção PN, é como dar telescópios às lagostas na lama. As lagostas podem ver mais longe e rastejar com mais entusiasmo, fazendo com que mais lagostas encontrem tocas. Consequentemente, o movimento global das lagostas aumenta e a largura da região de esgotamento do semicondutor se expande.
O diagrama abaixo mostra uma visão em perspectiva de um transistor bipolar pnp. O processo de fabricação envolve o uso de um semicondutor tipo p como substrato, utilizando o princípio da difusão térmica para criar uma região tipo n no substrato tipo p. Posteriormente, uma região do tipo p+ de alta concentração é formada nesta região do tipo n através de difusão térmica. Finalmente, o metal é usado para cobrir as regiões p+, n e subjacentes do tipo p para formar contatos ôhmicos.
A região intermediária estreita do tipo n, com uma concentração moderada de impurezas, é chamada de base (denotada por B), e a largura da região de base precisa ser muito menor que o comprimento de difusão dos portadores minoritários;
A região com a menor concentração do tipo p é chamada de coletor (denotado por C). Assumindo distribuição uniforme de concentrações dentro de cada região, o conceito de junção pn pode ser aplicado diretamente às junções dentro do transistor.
Substituir as regiões do tipo p por regiões do tipo n e a região do tipo n por uma região do tipo p na estrutura de um transistor bipolar pnp produz a estrutura de um transistor bipolar npn. Portanto, a direção da corrente e a polaridade da tensão também são invertidas.
O diagrama (a) mostra o transistor bipolar pnp ideal em equilíbrio térmico, onde seus três terminais estão conectados entre si ou todos conectados ao terra, com regiões sombreadas representando as regiões de depleção das duas junções pn.
O diagrama (b) ilustra as concentrações de impurezas nas três regiões dopadas, com a região emissora tendo uma concentração de dopagem muito maior que a região coletora, e a região base tendo uma concentração menor que a do emissor, mas maior que a do coletor.
O diagrama (c) representa a distribuição do campo elétrico na região de depleção.
O diagrama (d) exibe o diagrama de banda de energia do transistor, estendendo o estado de equilíbrio térmico das junções pn e aplicando-o às duas junções p+ - n acopladas adjacentes e à junção n - p.
O diagrama (a) mostra o transistor conectado como um amplificador de configuração de base comum, onde a base é compartilhada entre os circuitos de entrada e saída.
Os diagramas (b) e (c) ilustram a densidade de carga e a distribuição do campo elétrico sob condições de polarização, em comparação com o estado de equilíbrio térmico representado no diagrama anterior. A largura da região de depleção na junção base-emissor se estreita, enquanto a região de depleção na junção base-coletor se alarga.
O diagrama (d) exibe o diagrama de banda de energia do transistor operando no modo de amplificação. A junção emissor-base é polarizada diretamente, fazendo com que buracos sejam injetados da região emissora p+ na região base, e elétrons sejam injetados da região base na região emissora.
Por outro lado, a junção coletor-base é polarizada reversamente, permitindo o fluxo de uma corrente de saturação reversa. Se a região da base for estreita o suficiente, os buracos injetados da região do emissor na região da base podem difundir-se através da região da base e atingir a borda da região de depleção da base do coletor, eventualmente fluindo através da região do coletor sob a polarização do coletor-base. junção de base.
Este mecanismo de transporte dá origem aos nomes "emissor" para injetar portadores de carga e "coletor" para coletar portadores injetados da junção adjacente.
Se a maioria dos buracos injetados não se recombinarem com os elétrons na região da base, mas atingirem o coletor, a corrente do coletor devido aos buracos corresponderá estreitamente à corrente do buraco do emissor.
É evidente que os furos injetados na junção emissor-base adjacente podem gerar uma corrente significativa na junção coletor-base com polarização reversa, levando ao efeito de amplificação do transistor, que ocorre apenas quando essas duas junções estão suficientemente próximas. portanto, chamadas de junções pn interativas.
Por outro lado, se essas duas junções pn estiverem muito distantes uma da outra, todos os buracos que chegam se recombinarão com os elétrons na região base e não alcançarão a região do coletor, resultando em nenhum efeito de amplificação do transistor. Neste caso, a estrutura pnp simplesmente atua como dois diodos pn conectados costas com costas.
Ganho de corrente: O diagrama abaixo ilustra os vários componentes de corrente em um transistor pnp ideal operando no modo de amplificação. Assumindo que não há corrente de recombinação de geração na região de depleção, os buracos injetados na região emissora constituem o componente de corrente predominante IEp.
Existem três correntes na base: IBB, IEn e ICn.
IBB representa a corrente de elétrons fornecidos pela base que se recombinam com as lacunas incidentes (ou seja, IBB = IEp - ICp); IEn representa a corrente de elétrons injetados da região base na região emissora, que é um componente de corrente indesejável que pode ser reduzido por dopagem pesada do emissor ou pelo uso de heterojunções; ICn representa a corrente de elétrons gerada perto da junção do coletor devido a efeitos térmicos, fluindo da região do coletor para a região da base.
Modos de operação: Dependendo das tensões de polarização na junção base-emissor e na junção base-coletor, os transistores bipolares possuem quatro modos de operação.
O diagrama abaixo ilustra os quatro modos de operação de um transistor pnp e suas relações com VEB e VCB. A distribuição das operadoras minoritárias em cada modo de operação também é mostrada no diagrama.
Por exemplo, no modo de amplificação, a junção emissor-base é polarizada diretamente e a junção coletor-base é polarizada inversamente.
No modo de saturação, ambas as junções do transistor são polarizadas diretamente, levando à presença de portadores minoritários nas regiões de depleção de ambas as junções.
No modo de saturação, uma pequena tensão pode resultar em uma grande corrente de saída, colocando o transistor em um estado condutor semelhante a um curto-circuito.
No modo de corte, ambas as junções do transistor são polarizadas reversamente, levando a condições de limite de pn(0) = pn(W) = 0. O transistor no modo de corte pode ser visto como uma chave na posição aberta (ou desligada). .
No modo invertido, a junção emissor-base é polarizada reversamente e a junção coletor-base é polarizada diretamente. Neste modo, o eletrodo coletor funciona como emissor e vice-versa. No entanto, o ganho de corrente no modo invertido é tipicamente menor do que no modo de amplificação devido à menor concentração de dopagem na região do coletor em comparação com a região base, resultando em menor "eficiência de emissão".
Processo transitório de comutação: Em circuitos digitais, os transistores atuam principalmente como interruptores. Usando uma pequena corrente de base, a corrente do coletor pode ser rapidamente alterada de desligada para ligada (e vice-versa) em um tempo muito curto. No estado desligado, há alta tensão e baixa corrente, enquanto no estado ligado, há baixa tensão e alta corrente.
Transistores bipolares de heterojunção (HBTs)
Transistores bipolares de heterojunção (HBTs) referem-se a transistores onde uma ou ambas as junções são feitas de diferentes materiais semicondutores.
A principal vantagem dos HBTs é sua alta eficiência de emissão e são usados de forma semelhante aos transistores bipolares. No entanto, os HBTs têm maior velocidade e podem operar em frequências mais altas. Devido a essas características, os HBTs são amplamente utilizados em optoeletrônica, micro-ondas e aplicações digitais. Em aplicações de micro-ondas, os HBTs são comumente usados para fabricar amplificadores de potência, osciladores e misturadores de micro-ondas e ondas milimétricas de estado sólido.
Estrutura básica do HBT: A maioria das tecnologias HBT são desenvolvidas no sistema de materiais AlxGa1-xAs/GaAs. A estrutura básica npn HBT consiste em uma camada AlxGa1-xAs de bandgap largo na região emissora do tipo n, uma camada GaAs de bandgap mais estreita na região base do tipo p e regiões de coletor e subcoletor tipo n feitas de levemente dopado e fortemente dopado GaAs, respectivamente.
HBTs avançados: Nos últimos anos, materiais da série InP (como InP/InGaAs ou AlInAs/InGaAs) têm sido pesquisados sistematicamente, e heteroestruturas baseadas em InP oferecem inúmeras vantagens. A estrutura InP/InGaAs exibe recombinação de superfície extremamente baixa, e a mobilidade eletrônica do InGaAs é muito maior que a do GaAs, resultando em excelente desempenho de alta frequência.
O gráfico abaixo mostra a curva característica de um HBT típico à base de fosfeto de índio, com frequência de corte que chega a 254 GHz. Além disso, o InP demonstra uma velocidade de deriva maior do que o GaAs sob fortes campos elétricos e também possui uma tensão de ruptura mais alta.
A baixa densidade das armadilhas de interface de silício ajuda a reduzir a corrente de recombinação de superfície, garantindo alto ganho de corrente mesmo em baixas correntes de coletor. Além disso, a compatibilidade com a tecnologia padrão de processamento de silício é outro recurso altamente atraente.
O diagrama em (a) ilustra uma estrutura típica de Si/SiGe HBT, enquanto (b) compara a corrente de coletor do Si/SiGe HBT com a de um transistor bipolar de homojunção de silício, mostrando que o Si/SiGe HBT apresenta maior ganho de corrente. Comparado aos HBTs baseados em arsenieto de gálio e fosfeto de índio, o Si/SiGe
O HBT tem uma frequência de corte mais baixa devido à menor mobilidade da portadora do silício.
Características básicas: O diagrama abaixo ilustra a seção transversal de um dispositivo tiristor, que consiste em uma estrutura pnpn de quatro camadas formada por três junções pn conectadas em série, a saber, J1, J2 e J3. A camada p mais externa conectada ao eletrodo de contato é chamada de ânodo, enquanto a camada n do outro lado é chamada de cátodo. Esta estrutura, sem eletrodos adicionais, representa um dispositivo de dois terminais e é conhecida como diodo pnpn.
O diagrama (c) ilustra o diagrama de bandas de energia do dispositivo tiristor em equilíbrio térmico. Cada junção possui uma camada de depleção e o potencial incorporado é determinado pela concentração de dopagem.
Se o pulso de corrente da porta for aplicado próximo ao início de cada ciclo, mais potência será transferida para a carga. Por outro lado, atrasar o pulso de corrente da porta resultará em uma redução significativa da potência fornecida à carga à medida que o dispositivo tiristor conduz no final do ciclo.
O transistor de junção bipolar foi inventado por uma equipe de pesquisa dos Laboratórios Bell em 1947. O primeiro transistor consistia em dois fios de metal com pontas afiadas fazendo contato pontual com um substrato de germânio. Embora primitivo para os padrões atuais, este primeiro transistor transformou significativamente toda a indústria eletrônica e o modo de vida da humanidade.
Nos modernos transistores de junção bipolar, o silício substituiu o germânio como substrato, e o contato pontual foi substituído por duas junções pn acopladas adjacentes. A estrutura pode assumir a forma de pnp ou npn.
Um transistor, abreviação de "resistor de transferência", é um dispositivo semicondutor de múltiplas junções. Normalmente integrados com outros componentes do circuito, os transistores são usados para obter amplificação de tensão, corrente ou potência de sinal.
Os transistores bipolares, também conhecidos como transistores de junção bipolar (BJTs), estão entre os dispositivos semicondutores mais importantes e encontram amplas aplicações em circuitos de alta velocidade, circuitos analógicos, amplificação de potência e muito mais.
O que é uma junção PN?
É uma junção formada pelo contato entre um semicondutor tipo p e um semicondutor tipo n.
Por exemplo, um semicondutor do tipo p é como um pedaço quadrado de argila preenchido com muitos buracos (conhecidos como buracos de elétrons), semelhantes às tocas vistas nas lagostas. Um semicondutor do tipo n também é um pedaço quadrado de argila, mas é preenchido com muitas lagostas (elétrons livres). Quando juntarmos esses dois pedaços de barro, as lagostas rastejarão em direção às tocas.
As lagostas da frente são as primeiras a encontrar as tocas da primeira fila. Depois que as lagostas da primeira fila rastejam para dentro das tocas, as lagostas atrás delas têm que subir mais longe e enfrentam maior dificuldade em encontrar tocas.
Como as tocas nas primeiras filas já estão quase esgotadas, a indústria de semicondutores refere-se a esta área como região de esgotamento.
A junção PN possui uma característica chamada retificação, que permite que a corrente flua em apenas um sentido.
É como uma porta: é fácil para uma pessoa empurrar a porta em uma direção, mas é difícil se você tentar empurrá-la na direção oposta. Claro, você pode usar uma grande força para empurrar violentamente a porta até que ela quebre, um processo que chamamos de quebra da junção.
Observando as características de corrente-tensão de uma junção PN, a curva é mostrada no diagrama abaixo.
Quando uma inclinação para frente é aplicada a uma junção PN, é como colocar vendas nos olhos das lagostas na lama. As lagostas ficam míopes e só conseguem ver as tocas da primeira fila. Como resultado, o movimento global das lagostas diminui, e o número de lagostas que rastejam em direcção às tocas também diminui, reduzindo a largura da região de esgotamento.
Quando uma polarização reversa é aplicada a uma junção PN, é como dar telescópios às lagostas na lama. As lagostas podem ver mais longe e rastejar com mais entusiasmo, fazendo com que mais lagostas encontrem tocas. Consequentemente, o movimento global das lagostas aumenta e a largura da região de esgotamento do semicondutor se expande.
Na figura abaixo, (a) representa a largura normal da região de depleção em uma junção PN, (b) mostra a largura após aplicar uma polarização direta e (c) mostra a largura após aplicar uma polarização reversa.
A estrutura de um transistor bipolar:
O diagrama abaixo mostra uma visão em perspectiva de um transistor bipolar pnp. O processo de fabricação envolve o uso de um semicondutor tipo p como substrato, utilizando o princípio da difusão térmica para criar uma região tipo n no substrato tipo p. Posteriormente, uma região do tipo p+ de alta concentração é formada nesta região do tipo n através de difusão térmica. Finalmente, o metal é usado para cobrir as regiões p+, n e subjacentes do tipo p para formar contatos ôhmicos.
O transistor bipolar pnp consiste em três regiões com diferentes concentrações de dopagem, formando duas junções pn. A região p+ de maior concentração é chamada de emissor (denotado por E);
A região intermediária estreita do tipo n, com uma concentração moderada de impurezas, é chamada de base (denotada por B), e a largura da região de base precisa ser muito menor que o comprimento de difusão dos portadores minoritários;
A região com a menor concentração do tipo p é chamada de coletor (denotado por C). Assumindo distribuição uniforme de concentrações dentro de cada região, o conceito de junção pn pode ser aplicado diretamente às junções dentro do transistor.
O diagrama abaixo mostra o símbolo do circuito de um transistor bipolar pnp, indicando os vários componentes de corrente e polaridades de tensão. As setas e os símbolos "+" e "-" representam as direções das correntes e as polaridades das tensões no modo de trabalho geral (isto é, modo de amplificação, modo ativo) do transistor. Neste modo, a junção emissor-base é polarizada diretamente (VEB > 0), enquanto a junção coletor-base é polarizada inversamente (VCB < 0). De acordo com
Lei do circuito de Kirchhoff, para este dispositivo de três terminais, existem apenas duas correntes independentes; se quaisquer duas correntes forem conhecidas, a terceira corrente de terminal pode ser determinada.
Lei do circuito de Kirchhoff, para este dispositivo de três terminais, existem apenas duas correntes independentes; se quaisquer duas correntes forem conhecidas, a terceira corrente de terminal pode ser determinada.
A estrutura e o símbolo do circuito de um transistor bipolar npn são complementares aos de um transistor bipolar pnp. O diagrama abaixo mostra a estrutura ideal e o símbolo do circuito de um transistor pnp.
Substituir as regiões do tipo p por regiões do tipo n e a região do tipo n por uma região do tipo p na estrutura de um transistor bipolar pnp produz a estrutura de um transistor bipolar npn. Portanto, a direção da corrente e a polaridade da tensão também são invertidas.
Compreendendo o transistor pnp, pode-se descrever o transistor npn simplesmente trocando a polaridade e os tipos de dopagem.
4. Modo de amplificação de transistor bipolar
O diagrama (a) mostra o transistor bipolar pnp ideal em equilíbrio térmico, onde seus três terminais estão conectados entre si ou todos conectados ao terra, com regiões sombreadas representando as regiões de depleção das duas junções pn.
O diagrama (b) ilustra as concentrações de impurezas nas três regiões dopadas, com a região emissora tendo uma concentração de dopagem muito maior que a região coletora, e a região base tendo uma concentração menor que a do emissor, mas maior que a do coletor.
O diagrama (c) representa a distribuição do campo elétrico na região de depleção.
O diagrama (d) exibe o diagrama de banda de energia do transistor, estendendo o estado de equilíbrio térmico das junções pn e aplicando-o às duas junções p+ - n acopladas adjacentes e à junção n - p.
O diagrama a seguir corresponde ao transistor operando no modo de amplificação conforme mostrado na ilustração anterior.
O diagrama (a) mostra o transistor conectado como um amplificador de configuração de base comum, onde a base é compartilhada entre os circuitos de entrada e saída.
Os diagramas (b) e (c) ilustram a densidade de carga e a distribuição do campo elétrico sob condições de polarização, em comparação com o estado de equilíbrio térmico representado no diagrama anterior. A largura da região de depleção na junção base-emissor se estreita, enquanto a região de depleção na junção base-coletor se alarga.
O diagrama (d) exibe o diagrama de banda de energia do transistor operando no modo de amplificação. A junção emissor-base é polarizada diretamente, fazendo com que buracos sejam injetados da região emissora p+ na região base, e elétrons sejam injetados da região base na região emissora.
Em um diodo ideal, não há corrente de recombinação de geração na região de depleção, então os buracos injetados da região emissora para a região base e os elétrons injetados da região base para a região emissora constituem a corrente do emissor.
Por outro lado, a junção coletor-base é polarizada reversamente, permitindo o fluxo de uma corrente de saturação reversa. Se a região da base for estreita o suficiente, os buracos injetados da região do emissor na região da base podem difundir-se através da região da base e atingir a borda da região de depleção da base do coletor, eventualmente fluindo através da região do coletor sob a polarização do coletor-base. junção de base.
Este mecanismo de transporte dá origem aos nomes "emissor" para injetar portadores de carga e "coletor" para coletar portadores injetados da junção adjacente.
Se a maioria dos buracos injetados não se recombinarem com os elétrons na região da base, mas atingirem o coletor, a corrente do coletor devido aos buracos corresponderá estreitamente à corrente do buraco do emissor.
É evidente que os furos injetados na junção emissor-base adjacente podem gerar uma corrente significativa na junção coletor-base com polarização reversa, levando ao efeito de amplificação do transistor, que ocorre apenas quando essas duas junções estão suficientemente próximas. portanto, chamadas de junções pn interativas.
Por outro lado, se essas duas junções pn estiverem muito distantes uma da outra, todos os buracos que chegam se recombinarão com os elétrons na região base e não alcançarão a região do coletor, resultando em nenhum efeito de amplificação do transistor. Neste caso, a estrutura pnp simplesmente atua como dois diodos pn conectados costas com costas.
Ganho de corrente: O diagrama abaixo ilustra os vários componentes de corrente em um transistor pnp ideal operando no modo de amplificação. Assumindo que não há corrente de recombinação de geração na região de depleção, os buracos injetados na região emissora constituem o componente de corrente predominante IEp.
A maioria dos furos incidentes alcançará o eletrodo coletor e formará ICp.
Existem três correntes na base: IBB, IEn e ICn.
IBB representa a corrente de elétrons fornecidos pela base que se recombinam com as lacunas incidentes (ou seja, IBB = IEp - ICp); IEn representa a corrente de elétrons injetados da região base na região emissora, que é um componente de corrente indesejável que pode ser reduzido por dopagem pesada do emissor ou pelo uso de heterojunções; ICn representa a corrente de elétrons gerada perto da junção do coletor devido a efeitos térmicos, fluindo da região do coletor para a região da base.
Modos de operação: Dependendo das tensões de polarização na junção base-emissor e na junção base-coletor, os transistores bipolares possuem quatro modos de operação.
O diagrama abaixo ilustra os quatro modos de operação de um transistor pnp e suas relações com VEB e VCB. A distribuição das operadoras minoritárias em cada modo de operação também é mostrada no diagrama.
Por exemplo, no modo de amplificação, a junção emissor-base é polarizada diretamente e a junção coletor-base é polarizada inversamente.
No modo de saturação, ambas as junções do transistor são polarizadas diretamente, levando à presença de portadores minoritários nas regiões de depleção de ambas as junções.
No modo de saturação, uma pequena tensão pode resultar em uma grande corrente de saída, colocando o transistor em um estado condutor semelhante a um curto-circuito.
No modo de corte, ambas as junções do transistor são polarizadas reversamente, levando a condições de limite de pn(0) = pn(W) = 0. O transistor no modo de corte pode ser visto como uma chave na posição aberta (ou desligada). .
No modo invertido, a junção emissor-base é polarizada reversamente e a junção coletor-base é polarizada diretamente. Neste modo, o eletrodo coletor funciona como emissor e vice-versa. No entanto, o ganho de corrente no modo invertido é tipicamente menor do que no modo de amplificação devido à menor concentração de dopagem na região do coletor em comparação com a região base, resultando em menor "eficiência de emissão".
Processo transitório de comutação: Em circuitos digitais, os transistores atuam principalmente como interruptores. Usando uma pequena corrente de base, a corrente do coletor pode ser rapidamente alterada de desligada para ligada (e vice-versa) em um tempo muito curto. No estado desligado, há alta tensão e baixa corrente, enquanto no estado ligado, há baixa tensão e alta corrente.
Transistores bipolares de heterojunção (HBTs)
Transistores bipolares de heterojunção (HBTs) referem-se a transistores onde uma ou ambas as junções são feitas de diferentes materiais semicondutores.
A principal vantagem dos HBTs é sua alta eficiência de emissão e são usados de forma semelhante aos transistores bipolares. No entanto, os HBTs têm maior velocidade e podem operar em frequências mais altas. Devido a essas características, os HBTs são amplamente utilizados em optoeletrônica, micro-ondas e aplicações digitais. Em aplicações de micro-ondas, os HBTs são comumente usados para fabricar amplificadores de potência, osciladores e misturadores de micro-ondas e ondas milimétricas de estado sólido.
Estrutura básica do HBT: A maioria das tecnologias HBT são desenvolvidas no sistema de materiais AlxGa1-xAs/GaAs. A estrutura básica npn HBT consiste em uma camada AlxGa1-xAs de bandgap largo na região emissora do tipo n, uma camada GaAs de bandgap mais estreita na região base do tipo p e regiões de coletor e subcoletor tipo n feitas de levemente dopado e fortemente dopado GaAs, respectivamente.
Para formar um contato ôhmico, uma camada de arsenieto de gálio tipo n altamente dopada é adicionada entre o contato do emissor e a camada de arsenieto de alumínio e gálio. Devido à diferença significativa na largura do bandgap entre as regiões do emissor e da base, o ganho de corrente do emissor comum pode ser aumentado significativamente. Em contraste, os transistores bipolares de homojunção não possuem essa diferença de largura de bandgap e, portanto, a razão de concentração de dopagem entre as regiões do emissor e da base deve ser aumentada significativamente. Esta diferença fundamental diferencia a homojunção dos transistores bipolares de heterojunção.
HBTs avançados: Nos últimos anos, materiais da série InP (como InP/InGaAs ou AlInAs/InGaAs) têm sido pesquisados sistematicamente, e heteroestruturas baseadas em InP oferecem inúmeras vantagens. A estrutura InP/InGaAs exibe recombinação de superfície extremamente baixa, e a mobilidade eletrônica do InGaAs é muito maior que a do GaAs, resultando em excelente desempenho de alta frequência.
O gráfico abaixo mostra a curva característica de um HBT típico à base de fosfeto de índio, com frequência de corte que chega a 254 GHz. Além disso, o InP demonstra uma velocidade de deriva maior do que o GaAs sob fortes campos elétricos e também possui uma tensão de ruptura mais alta.
Outro tipo de heterojunção é o sistema de materiais Si/SiGe, que oferece diversos recursos atrativos para aplicações HBT. Semelhante ao AlGaAs/GaAs HBT, o Si/SiGe HBT também se beneficia da capacidade de dopar fortemente devido à diferença de largura do bandgap, resultando em desempenho de alta velocidade.
A baixa densidade das armadilhas de interface de silício ajuda a reduzir a corrente de recombinação de superfície, garantindo alto ganho de corrente mesmo em baixas correntes de coletor. Além disso, a compatibilidade com a tecnologia padrão de processamento de silício é outro recurso altamente atraente.
O diagrama em (a) ilustra uma estrutura típica de Si/SiGe HBT, enquanto (b) compara a corrente de coletor do Si/SiGe HBT com a de um transistor bipolar de homojunção de silício, mostrando que o Si/SiGe HBT apresenta maior ganho de corrente. Comparado aos HBTs baseados em arsenieto de gálio e fosfeto de índio, o Si/SiGe
O HBT tem uma frequência de corte mais baixa devido à menor mobilidade da portadora do silício.
Seção VI: Dispositivos Tiristores e Dispositivos de Potência Relacionados
Dispositivos tiristores são componentes de potência cruciais capazes de controlar alta tensão e alta corrente, permitindo que o dispositivo faça a transição de um estado fechado ou bloqueado para um estado aberto ou condutor e vice-versa. Sua operação está intimamente relacionada aos transistores bipolares, envolvendo a condução tanto de elétrons quanto de lacunas.
No entanto, seu mecanismo de comutação e estrutura diferem dos transistores bipolares, oferecendo uma ampla gama de capacidades de controle de corrente e tensão. A corrente nominal pode variar de alguns miliamperes a mais de 5000 A, com uma tensão nominal superior a 10,000 V.
No entanto, seu mecanismo de comutação e estrutura diferem dos transistores bipolares, oferecendo uma ampla gama de capacidades de controle de corrente e tensão. A corrente nominal pode variar de alguns miliamperes a mais de 5000 A, com uma tensão nominal superior a 10,000 V.
Características básicas: O diagrama abaixo ilustra a seção transversal de um dispositivo tiristor, que consiste em uma estrutura pnpn de quatro camadas formada por três junções pn conectadas em série, a saber, J1, J2 e J3. A camada p mais externa conectada ao eletrodo de contato é chamada de ânodo, enquanto a camada n do outro lado é chamada de cátodo. Esta estrutura, sem eletrodos adicionais, representa um dispositivo de dois terminais e é conhecida como diodo pnpn.
Se outro eletrodo, conhecido como porta, for conectado à camada p2 interna, o dispositivo de três terminais resultante é chamado de retificador controlado por semicondutor (SCR) ou tiristor.
O diagrama em (b) mostra um perfil de dopagem típico de um dispositivo tiristor. Ele começa com um wafer de silício tipo n de alta resistividade como material de partida (camada n), seguido por uma etapa de difusão para formar simultaneamente as camadas p1 e p2. Por último, a liga ou difusão é usada para criar a camada n2 em um lado do wafer de silício.
O diagrama (c) ilustra o diagrama de bandas de energia do dispositivo tiristor em equilíbrio térmico. Cada junção possui uma camada de depleção e o potencial incorporado é determinado pela concentração de dopagem.
O diagrama ilustra uma aplicação simples de um dispositivo tiristor, que pode ajustar a potência fornecida da linha de energia para a carga. A carga, RL, pode ser uma lâmpada ou um aquecedor, por exemplo. A potência entregue à carga em cada ciclo é controlada pelo pulso de corrente da porta do dispositivo tiristor.
Se o pulso de corrente da porta for aplicado próximo ao início de cada ciclo, mais potência será transferida para a carga. Por outro lado, atrasar o pulso de corrente da porta resultará em uma redução significativa da potência fornecida à carga à medida que o dispositivo tiristor conduz no final do ciclo.
Estas são todas as informações sobre transistores bipolares.
Recomendações relacionadas
粤公网安备44030002007346号