¿Por qué el modelo de diodo NPN no tiene dos diodos conectados en serie?

¿Por qué el modelo de diodo NPN no tiene dos diodos conectados en serie?

A veces se usa un transistor bipolar en lugar de dos diodos, como en las entradas a las puertas TTL. Sin embargo, hay algo que sucede en un transistor que no sucede en dos diodos discretos conectados ya sea de ánodo a ánodo o de cátodo a cátodo.

En un diodo con polarización inversa, normalmente solo hay un número muy pequeño de portadores minoritarios en el ánodo o en el cátodo. Como resultado, la corriente a través de la unión en un diodo con polarización inversa es muy pequeña, es decir, una corriente de fuga.

Sin embargo, en un transistor bipolar, cuando la unión base-emisor tiene polarización directa, los portadores mayoritarios cruzan del emisor a la base, donde se convierten en portadores minoritarios . Es decir, los portadores minoritarios se "inyectan" en la base. Ahora, el diodo del colector base tendrá muchos portadores minoritarios (en el lado de la base), incluso si tiene polarización inversa. Esto permite que la corriente fluya a través del diodo del colector base incluso cuando está polarizado inversamente. Es decir, la corriente del emisor a la base crea portadores minoritarios en la base, lo que permite que la corriente fluya desde la base al colector, incluso cuando la unión base-colector tiene polarización inversa.

Esa es probablemente la diferencia más significativa entre un transistor bipolar y dos diodos discretos conectados de ánodo a ánodo o de cátodo a cátodo.

Ahora bien, ¿por qué los transistores bipolares no son simétricos? ¿Por qué las características activas directas son diferentes de las características activas inversas? ¿Por qué el emisor y el colector no son equivalentes? Los transistores bipolares no son intrínsecamente asimétricos. Más bien, esa es una elección de diseño. Al dopar el emisor más fuertemente que el colector, se hace un transistor que tiene una mayor amplificación (en la región activa directa) que la que tendría un transistor simétrico. Es decir, se sacrifica la simetría en aras de la ganancia.

Su modelo propuesto no es válido porque, si bien un transistor en su región activa pasa la corriente del colector, siempre que el transistor esté polarizado "normalmente" (es decir, la unión colector-base está en polarización inversa), esa corriente es bastante insensible al colector. -voltaje base. Si fuera preciso modelar un transistor como dos diodos en serie, entonces un transistor con un voltaje de colector a emisor simplemente conduciría, con dos caídas de diodo. Eso no sucede.

Ese es un modelo muy simplificado de un transistor NPN. Si se toma en serio el diseño de circuitos, encontrará que hay una serie de modelos, cada uno de los cuales está incompleto de alguna manera, terriblemente complicado, o ambos al mismo tiempo. Parte de usarlos es saber cuándo usar cuál.

Donde ese modelo no le da a entender es que la región base no está conectada a dos diodos independientes. Es una hoja de material semiconductor de tipo P, que forma ambas uniones PN en el transistor y une el comportamiento de las dos uniones de una manera que dos diodos independientes nunca lo serán.

En un transistor de unión, cuando fluye una corriente de base, el emisor, acertadamente llamado, inyecta electrones en la región de la base; algunos de estos electrones logran fluir hacia la base, pero la mayoría (si es un buen transistor) son barridos hacia el colector bien llamado.

Ese acoplamiento entre el emisor y el colector a través de la base es lo que hace que un transistor se amplifique: un poco de corriente que ingresa a la base hace que una corriente mucho mayor fluya del colector al emisor y (debido a que el diodo del colector tiene polarización inversa) ), una pequeña variación de tensión en la base puede provocar una gran variación de tensión en el colector.

Un modelo mucho más preciso, si sabe lo que es una fuente dependiente, es el modelo Ebers-Moll : he incluido uno para un transistor que está en una condición normal de polarización directa (voltaje del colector mucho más alto que la base, base voltaje superior o igual al voltaje del emisor). Los dos diodos son como su modelo anterior, pero la fuente de corriente dependiente (el diamante) muestra dónde la corriente del emisor genera una corriente de colector.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

El transistor NPN (¡no el diodo! vea el título de la pregunta) ES dos diodos, en serie, pero con uno invertido, por lo que los ánodos ("P") son comunes y están conectados como base.

Por lo tanto, sin conexión a la base, el diodo CB tiene polarización inversa y no fluye corriente (más allá de una corriente de fuga de un minuto).

Pero lo que esta descripción no le brinda, y el cableado de dos modelos de diodos (por ejemplo, SPICE) juntos, no le brinda ninguna pista sobre las cosas interesantes que suceden cuando las regiones "P" de los dos diodos se convierten en una sola muy, muy delgada. capa entre las dos regiones "N".

Aplique polarización directa a la unión BE y observe cómo pasan los electrones desde el emisor (N) a la región de la base (P). En un diodo normal, simplemente pasan a través de la región P hacia la terminal del ánodo y escapan.

En un transistor, ese camino hacia el terminal (base) es un camino largo y angosto (imagínese la cresta de una montaña) con una pendiente muy pronunciada en el lado del colector (campo eléctrico) causada por el gran voltaje positivo del colector.

Entonces, la mayoría de los electrones, atraídos por ese campo, simplemente se caen de la cresta y, al no estar atados juntos como buenos escaladores, nunca llegan a la terminal de la base, sino que terminan como corriente de colector.

(Crédito de la foto: NY Times)

Entonces, considero que la unión base-emisor es un proveedor de corriente muy ineficiente para la base (debido al campo eléctrico a través de la unión CB cuando el voltaje del colector es alto).

Una consecuencia de este "modelo" conceptual es que a medida que se reduce el voltaje del CB, la intensidad del campo se debilita, por lo que caen menos electrones de la cresta y la corriente de base aumenta, como debería ocurrir cuando el transistor se acerca a la saturación.

Otra es que con la unión EB polarizada inversamente, no hay electrones en la cresta, por lo que ninguno se cae (no hay corriente de colector) y ninguno llega al pico (lo siento, base) tampoco.

Relacionado, puede ayudar: Operación básica de un transistor de unión bipolar

Es importante darse cuenta de que los BJT son sumideros de corriente controlados por VBe hasta que se saturan. fuente/sumideros actuales son de alta impedancia por definición.

El dopaje es mucho más alto en Vbe que en Vbc, de modo que hFE cae rápidamente cuando Vbc se acerca a 0V y más cuando se conduce positivamente como un interruptor. Por lo tanto, solo se amplifican con una relación de corrientes en avance activo determinada por hFE. Cuando se invierte CE, hFE se convierte en 1 en activo inverso. (Diodes Inc. ha patentado muchos procesos que producen hFE > 1000)

Para el modo de saturación, generalmente califican Vce(sat)max usando Ic/Ib cerca del 10 % de hFE max en la región lineal usando relaciones estándar de 10, 20 o 50. O dos de las 3 relaciones estándar si hFE >200 o 500. Esa es mi regla general.

Las proporciones de dopaje en cada unión determinan esta característica y alcanzan un pico de alrededor del 10 % de la corriente nominal máxima debido a las pérdidas de Rs a alta corriente y cae rápidamente para Ic<< 1 mA debido a los efectos tempranos. (En mi humilde opinión), pero el diablo está en los detalles de la movilidad de carga de los operadores mayoritarios / minoritarios.

Aunque todos los BJT siguen la ecuación Vbe vs Ic Shockley, cuando Ib se puede controlar con R limitadores de corriente, ya sea Rb o Re o ambos, el hFE es el modelo más útil en general.

También recientemente, en un análisis cualitativo de una relación entre V_CE e I_B en un npn BJT