Diodos de unión PN y transistores BJT: una introducción

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Este artículo proporciona una breve introducción a los diodos de unión PN y los transistores BJT.

Silicio dopado: semiconductores tipo N y tipo P

Las uniones PN juegan un papel importante en la fabricación de semiconductores para circuitos integrados. El silicio sin dopar con una valencia de cuatro tiene una concentración intrínseca de ${{n}_{i}}=1.1times {{10}^{16}}text{ }portadores/{{m}^ {3} en temperatura ambiente. Básicamente, esto significa que hay alrededor de $1,1times {{10}^{16}}$ electrones libres y portadores de huecos por cm3 en silicio puro.

Si dopamos el silicio con una impureza con una valencia de cinco (equivalente a cinco electrones en la capa externa) como fósforo (P) o arsénico (Mar), introducimos electrones libres adicionales en el cristal de silicio. Por eso tal impureza se llama donante y la región dopada se denomina región de tipo n. En esta región de tipo n, el número de electrones libres es nno casi igual a la concentración de dopaje de impureza ND y el número de agujeros viene dado por:

[{{p}_{n}}=frac{n_{i}^{2}}{{{N}_{D}}}]

Formación de diodos de unión PN

Para formar un diodo de unión PN, una parte de un semiconductor se dopa como una región de tipo n y sobre ella otra parte se dopa como una región de tipo p. Una sección típica de un diodo PN es la siguiente:

El diodo de unión PN se forma entre la región p+ y la unión de la región n, donde p+, p- y n representan diferentes concentraciones de impurezas dopantes. Una vez que se forma la unión PN, la unión tiene una región de agotamiento donde no hay portadores libres y el voltaje integrado de una unión PN de circuito abierto es:

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[{{Phi }_{0}}={{V}_{T}}lnfrac{{{N}_{A}}{{N}_{D}}}{n_{i}^{2}}]

Donde ${{V}_{T}}=frac{kT}{q}about 26mV$ a temperatura ambiente, T es la temperatura en grados Kelvin, k es la constante de Boltzmann (1.38×10 −23JK ) y q es la carga del electrón (1.6×10-19 Culombio).

Tensión de polarización positiva

Si aplicamos un voltaje de polarización positivo desde el lado p al lado n del diodo de unión PN, reduce el campo eléctrico contra la difusión de portadores libres a través de la región de agotamiento, así como el ancho de la región de agotamiento. Si el voltaje positivo aplicado es lo suficientemente grande, los portadores se difunden a través de la unión creando así una corriente del lado p al lado n. Esto se llama voltaje positivo. voltaje de polarización directa y es de aproximadamente 0,5 V para silicio.

En esta región con polarización directa, la relación corriente-voltaje del diodo se da a continuación:

[{{I}_{D}}={{I}_{S}}{{e}^{{}^{{{V}_{D}}}/{}_{{{V}_{T}}}}}]

Dónde a VD es el voltaje aplicado a través de los diodos y yoS es la corriente de escala proporcional a la unión del diodo e inversamente proporcional a la concentración de dopaje. La relación exponencial resulta de la solución de la ecuación diferencial de primer orden según la ley de difusión de Fick.

Tensión de polarización negativa

Por otro lado, si aplicamos un voltaje de polarización negativa del lado p al lado n, es decir, un voltaje de polarización positivo del lado n al lado p, el diodo de unión PN está en la región de polarización inversa y tiene una pequeña fuga. corriente de cultivo minoritario. portadores (huecos y electrones) en la vecindad de la región de empobrecimiento. Sin embargo, en un campo eléctrico crítico, los portadores que pasan a través de la región de empobrecimiento obtienen suficiente energía para formar nuevos pares electrón-hueco cuando chocan con átomos de silicio, lo que provoca la ruptura del amortiguador y un aumento repentino de la. corriente de fuga de polarización inversa (Los transportistas recién creados también producen más transportistas nuevos).

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es tipico Característica IV para un diodo de unión mostrado a continuación:

Un transistor de unión bipolar

De manera similar, un transistor de unión bipolar consta de dos uniones PN (PNP o NPN) como se muestra a continuación, tomando como ejemplo el transistor de unión bipolar NPN:

Si el voltaje base del emisor es menor que el voltaje de polarización directa de la unión PN, que es de aproximadamente 0,5 V, el transistor se cortará y no fluirá corriente del emisor al colector.

Cuando el voltaje base-emisor es lo suficientemente alto como para activar la unión PN, fluye una pequeña corriente desde la base al emisor.

Sin embargo, fluirá una corriente proporcionalmente mayor del colector al emisor porque el ancho de la base es relativamente pequeño. Entonces, un transistor bipolar es un amplificador de corriente porque podemos controlar la corriente del colector al emisor ajustando la corriente de la base al emisor.

En consecuencia, a continuación se muestra un transistor PNP:

PN_Junction_Diodes_4

Un transistor PNP se comporta como un transistor NPN a la inversa.

Si el voltaje base del emisor es menor que el voltaje de polarización directa de la unión PN, que es de aproximadamente 0,5 V, el transistor se cortará y no fluirá corriente del emisor al colector.

Cuando el voltaje emisor-base es lo suficientemente alto como para activar la unión PN, fluye una pequeña corriente desde el emisor a la base. Está claro que se requiere la VSER para encender un transistor NPN alrededor de 0.5 V, y la V requeridaSER es de aproximadamente -0,5 V para encender un transistor PNP.

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Los símbolos que representan los transistores bipolares NPN y PNP se muestran a continuación:

La siguiente ecuación describe la relación exponencial entre la corriente del colector y el voltaje base-emisor:

${{I}_{C}}={{I}_{CS}}{{e}^{{}^{{V}_{BE}}}/{}_{{V}_ {T ps

O yoCS es la corriente de escalera del transistor de unión bipolar. La corriente base también está relacionada exponencialmente con el voltaje de emisión base como se muestra a continuación:

[{{I}_{B}}={{I}_{CS}}{{e}^{{}^{{{V}_{BE}}}/{}_{{{V}_{T}}}}}]

Por lo tanto, la relación entre la corriente de base y la corriente del colector es una relación constante β como se muestra a continuación:

[beta equiv frac{{{I}_{C}}}{{{I}_{B}}}]

Con las ecuaciones anteriores, se puede dibujar un modelo de señal grande para un BJT en una región activa de la siguiente manera:

Existen:

[{{I}_{E}}={{I}_{C}}+{{I}_{B}}={{I}_{CS}}left( frac{beta +1}{beta } right){{e}^{{}^{{{V}_{BE}}}/{}_{{{V}_{T}}}}}equiv {{I}_{ES}}{{e}^{{}^{{{V}_{BE}}}/{}_{{{V}_{T}}}}}]

También definimos a menudo

[{{I}_{C}}=alpha {{I}_{E}}]

Dónde

[alpha =frac{beta +1}{beta }]

Referencias

Diseño de circuitos integrados analógicos, segunda edición, Tony Chan Carusone, David A. Johns y Kenneth W. Martin

Análisis y diseño de circuitos integrados analógicos, 4.ª edición, Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis y Robert G. Meyer

Diseño de circuito integrado analógico CMOS, 1.ª edición, Behzad Razavi

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