¿Por qué dos diodos conectados en serie no pueden actuar como un BJT?

Mucha gente piensa que la respuesta a esta pregunta está relacionada con el ancho de la región Base en los transistores BJT; es incorrecta. La respuesta se hizo bastante larga. Puede leer a partir de la sección "Pregunta engañosa" si desea obtener el resultado final.

Creo que se vio obligado a hacer esta pregunta debido a algo como esta imagen:

Esta es una práctica estándar para enseñar los conceptos básicos de BJT, pero puede confundir a alguien que no esté familiarizado con la teoría de los semiconductores en detalles.

Para responder a su pregunta a un nivel aceptable, debo suponer que está familiarizado con los principios de funcionamiento del diodo PN. Esta referencia contiene una discusión detallada de las uniones PN.

La respuesta se refiere al transistor NPN, pero también se aplica a los transistores PNP después del cambio apropiado de polaridades.

NPN en modo de operación activo hacia adelante:

El modo de operación más "útil" del transistor BJT se llama "activo hacia adelante":

NPN está en modo activo hacia adelante cuando:

• La unión base-emisor tiene polarización directa (generalmente en$V_{BE}\approx 0.6V$)
• La unión base-colector tiene polarización inversa ($V_{CB}>0$)

Debido a que la unión Base-Emisor está polarizada hacia adelante, hay una inyección de electrones desde el Emisor a la Base ($I_{E_n}$en la imagen de arriba), y la inyección simultánea de agujeros desde la Base al Emisor ($I_{B1}=I_{E_p}$en la imagen de arriba). Región emisora ​​($n^{++}$) está mucho más dopada que la región Base ($p$), por lo tanto, la corriente debida a los electrones inyectados en la Base es mucho mayor que la corriente debida a los agujeros inyectados en el Emisor.

Tenga en cuenta que los orificios inyectados en el emisor se suministran desde el electrodo base (corriente base), mientras que los electrones inyectados en la base se suministran desde el electrodo emisor (corriente emisor). La relación entre estas corrientes es lo que hace que BJT sea un dispositivo amplificador de corriente: una pequeña corriente en la terminal base puede causar una corriente mucho más alta en la terminal del emisor. La amplificación de corriente convencional se define como la relación de corrientes de colector a base, pero es la relación entre las corrientes anteriores lo que hace posible cualquier amplificación de corriente.

Debido a la inyección de una gran cantidad de electrones desde el emisor, los electrones tienden a difundirse a través de la unión polarizada inversa de base a base-colector. Una vez que un electrón llega allí, se barre a través de la región de agotamiento de la base del colector y se inyecta en el colector, contribuyendo así a la corriente del colector ($I_C$en la imagen de arriba).

Ahora, si todos estos electrones inyectados desde el Emisor pudieran difundirse a la unión Base-Colector con polarización inversa sin estar sujetos a otros efectos, no habría ninguna importancia para el ancho de la región Base. Sin embargo, hay una recombinación en la Base.

En el proceso de recombinación, los electrones inyectados se encuentran con los agujeros y se "neutralizan" entre sí. El electrón inyectado se "pierde" en este proceso y no contribuirá a la corriente en la terminal del Colector. Pero espera, la conservación de la carga requiere que el hueco que se recombinó con el electrón inyectado sea alimentado desde alguna parte, ¿verdad? Resulta que los orificios de recombinación también se suministran desde el terminal Base ($I_{B2}$en la imagen de arriba), aumentando así la corriente de la base y disminuyendo la relación de corrientes de emisor a base (que representa la ganancia de corriente del transistor, ¿recuerdas?).

Lo anterior significa que cuantos más electrones se recombinan durante la difusión a través de la región Base, menor es la ganancia de corriente del transistor. Depende del fabricante minimizar la recombinación para proporcionar un transistor funcional.

Hay muchos factores que afectan las tasas de recombinación, pero uno de los más importantes es el ancho de la base. Es evidente que cuanto más ancha sea la Base, más tiempo tardará el electrón inyectado en difundirse a través de la Base, mayor será la posibilidad de que se encuentre con un hueco y se recombine. Los fabricantes tienden a fabricar BJT con bases muy cortas.

Entonces, ¿por qué dos diodos PN consecutivos no pueden funcionar como un solo NPN?

La discusión anterior explicó por qué Base debe ser corto. Los diodos PN (generalmente) no tienen estas regiones cortas, por lo tanto, la tasa de recombinación será muy alta y la ganancia actual será aproximadamente la unidad. ¿Qué significa esto? Significa que la corriente en el terminal "Emisor" será igual a la corriente en el terminal "Base", y la corriente en el "Colector" será cero:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

¡Los diodos funcionan como dispositivos independientes, no como un solo BJT!

Pregunta capciosa:

Con diversos grados de precisión, muchas personas pueden responder a su pregunta inicial como lo hice yo. Sin embargo, la pregunta más interesante es esta: si hacemos$p$Los lados de ambos diodos son muy cortos, de modo que la suma de sus anchos no sea más ancha que la región base del transistor NPN, ¿funcionarán los diodos como un transistor?

Esta pregunta es más difícil de responder porque la respuesta directa de "no, la base de BJT es muy corta" ya no es aplicable.

Resulta que este enfoque no hará que dos diodos tengan un comportamiento similar a un solo transistor NPN. La razón es que en el contacto metálico del diodo, donde el metal y el semiconductor están en contacto, todos los electrones en exceso se "recombinan" con los "agujeros" proporcionados por el contacto. No es la recombinación habitual ya que los metales no tienen agujeros, pero la fina distinción no es tan importante: una vez que los electrones ingresan al metal, no se puede lograr la funcionalidad del transistor.

La forma alternativa de comprender el punto anterior es darse cuenta de que el diodo de la base del colector tiene polarización inversa, pero aún conduce una corriente alta. Este modo de operación no se puede lograr con diodos PN independientes que conducen corrientes insignificantes con polarización inversa. El motivo de esta restricción es el mismo: el exceso de electrones del lado P del diodo con polarización directa no se puede arrastrar al lado P del diodo con polarización inversa a través del cable metálico en "configuración de diodo similar a BJT". En su lugar, se barren hacia la fuente de alimentación proporcionando una polarización de voltaje al terminal común de los diodos.

Había una pregunta de seguimiento que pedía proporcionar un razonamiento más riguroso para los dos párrafos anteriores. La respuesta se refiere a las interfaces metal-semiconductor y se puede encontrar aquí .

Lo que lo anterior significa es que la discusión sobre el ancho de la región base está relacionada con la discusión sobre la efectividad de los transistores BJT, y es completamente irrelevante para la discusión de dos diodos PN consecutivos como sustituto de un BJT.

Resumen:

Dos diodos PN consecutivos no pueden funcionar como un solo BJT porque la funcionalidad del transistor requiere solo una región base de semiconductores. Una vez que se introduce un metal en este camino (que es lo que representan dos diodos consecutivos), no es posible la funcionalidad BJT.

No. Dos diodos consecutivos NO son un transistor. La propiedad especial que hace que un sándwich PNP o NPN sea un transistor en lugar de solo dos diodos es que la capa base es muy delgada. En términos de física de semiconductores, no hay dos regiones de empobrecimiento separadas en la base. Las regiones de agotamiento de las dos uniones se superponen en la base, lo cual es necesario para que el transistor tenga sus propiedades especiales.

De Wikipedia

Se puede pensar en los transistores como dos diodos (uniones P-N) que comparten una región común a través de la cual pueden moverse los portadores minoritarios. Un PNP BJT funcionará como dos diodos que comparten una región de cátodo de tipo N, y el NPN como dos diodos que comparten una región de ánodo de tipo P. Conectar dos diodos con cables no creará un transistor, ya que los portadores minoritarios no podrán pasar de una unión P-N a la otra a través del cable.

Básicamente, el semiconductor debe conectarse directamente.

Puede valer la pena pensar en la pregunta equivalente para los tubos de vacío. ¿Por qué dos válvulas de diodo consecutivas no pueden funcionar como un triodo? La respuesta es que para que un triodo funcione correctamente, la mayoría de los electrones emitidos por el cátodo tienen que atravesar la malla de la rejilla para llegar al ánodo. Si conectara dos tubos de diodos y llamara cuadrícula al vínculo entre ellos, o si convirtiera la cuadrícula de un triodo en un trozo sólido de lámina en lugar de una cuadrícula, entonces todos los electrones llegarían hasta la cuadrícula y se detendrían. allí, drenándose hacia el suministro de la red en lugar de volver a emitirse para llegar al ánodo. Para el correcto funcionamiento de un triodo, tiene que haber una oportunidad para que el impulso de los electrones los lleve a través de la rejilla, impulsado por algo más que el potencial entre la rejilla y el ánodo.

Los efectos físicos en juego en un transistor semiconductor son diferentes, pero la idea fundamental de que la corriente debe poder pasar por alto el cable que de otro modo la succionaría en el medio sigue siendo la misma.

Esta es una versión muy reducida de la respuesta ya aceptada.

El metal tiene propiedades diferentes a las del semiconductor, por lo que no unificará las dos N en una sola N. Los dos diodos serán un componente PN-metal-NP que no es un componente NPN. (Viceversa para PNP.)

(Si corta la base de un transistor con una lámina delgada de metal, dejará de funcionar).

Me atrae más la explicación del trabajo del transistor por analogía con el sistema hidráulico. Todo el mundo conoce la situación en la que primero necesita aspirar el agua de la manguera. Y cuando el agua pasa por el punto más alto comienza a fluir por sí misma. En un transistor, de manera análoga, simplemente supere la resistencia de la conexión np para que la corriente pueda fluir.

Un BJT se basa en el principio de difusión (de portadores de carga minoritarios).

Funciona solo si el grosor de la base es del orden de la longitud de difusión .

Esto no se puede lograr conectando dos diodos discretos.

No, porque para hacer un transistor solo se necesita una capa delgada entre el emisor y el colector, pero si conecta 2 diodos espalda con espalda, proporcionará una capa gruesa que será difícil de penetrar para los electrones.

Básicamente, uno de los diodos se apagará debido a la diferencia de voltaje en el emisor de base o en el colector (0,7 en cualquier configuración). Un enfoque más cercano será un zener y dos diodos , pero aún no funcionará como un transistor ni nada útil. Soy terrible de explicar, pero la respuesta se puede encontrar al comprender cómo eliminar la caída de voltaje en un diodo , algo que rara vez se encuentra en los libros pero que es extremadamente importante. Ahora intente imaginar una batería de 0.7V en paralelo con un diodo conectado a una señal, luego conducirá comenzando desde 0 y colapsará en 0 (no el típico -0.7). Bueno, hay más que eso, pero solo estoy tratando de señalarte algún lugar.