Preguntas fundamentales sobre los transistores BJT

Primero aclaremos algunos de sus malentendidos. Esto tomará algún tiempo.

El dopaje no cambia la carga neta. Por cada átomo de fósforo introducido, se introduce un electrón libre. Pero también se introduce un protón adicional (en comparación con el silicio). Después del dopaje, el silicio sigue siendo eléctricamente neutro.

El dopaje cambia la densidad del portador de carga. En la región dopada con N, cuatro electrones de valencia de fósforo se unen con cuatro átomos de silicio cercanos, y el fósforo se bloquea perfectamente en la red cristalina. El electrón restante es (debe ser) elevado a un estado de mayor energía, donde esencialmente no está unido al átomo que lo donó y, por lo tanto, es "libre" para moverse. Como dije, su carga es cancelada por el protón adicional del fósforo, pero el electrón está libre mientras que el protón está inmóvil (atrapado dentro del núcleo).

De manera similar, cuando se dopa con boro, el boro se bloquea perfectamente en la red cristalina a pesar de tener un electrón menos de lo que debería. Entonces hay una vacante (un agujero) en los enlaces de valencia que forma con sus vecinos. Este agujero puede ser llenado por un electrón vecino, pero eso luego abre una vacante de donde vino ese electrón. De esta manera, el dopaje con boro introduce portadores de carga que se consideran más convenientemente como agujeros , que tienen una carga positiva. Un agujero no es una partícula subatómica "real", pero es conveniente trabajar mentalmente. (¡Es mucho más fácil pensar en un solo agujero moviéndose, en lugar de la gran población de electrones que se mueven un espacio tratando de llenarlo!)

Cuando una región dopada con P toca una región dopada con N, se forma un "voltaje incorporado": la región N se vuelve positiva y la región P se vuelve negativa. Lo diré de nuevo: la región N es POSITIVA y la región P es NEGATIVA. Esto parece al revés al principio, pero déjame explicarte.

Recuerde que tanto las regiones N como las P comenzaron neutrales. Cuando se tocan, los electrones y los huecos no deberían ir a ninguna parte, porque todo es neutro, ¿verdad? Equivocado. En el lado N los electrones tienen alta densidad mientras que en el lado P son muy escasos. Debido al desequilibrio, un proceso llamado difusión transporta electrones al lado P.

La difusión es el proceso que lleva un pedo a través de un salón de clases. La energía térmica (calor) en el aire sacude y empuja las moléculas de pedo en direcciones aleatorias. Cada molécula toma un camino llamado el camino de un borracho . En promedio, las moléculas de pedo tienden a pasar de regiones de alta densidad a regiones de baja densidad. Esto no es porque se repelan entre sí ni nada por el estilo; es sólo un producto de la aleatoriedad. Con el tiempo suficiente, la energía térmica difunde el pedo hasta que se distribuye uniformemente por todo el aula.

Los electrones también se distribuirían uniformemente, debido a las colisiones aleatorias con la red cristalina, si no fuera por su carga. Cuando los electrones se difunden desde la región N a la región P, llevan carga negativa (y dejan núcleos con carga positiva o iones positivos). Por lo tanto, la región P se vuelve más negativa y la región N más positiva. Eventualmente se forma un voltaje que detiene una mayor difusión, y esto se llama voltaje incorporado . Por lo general, es alrededor de 0.8V. Todas las uniones PN tienen un voltaje incorporado en su interior, aunque no se puede medir con un multímetro porque tan pronto como se toca el silicio se forma un potencial de contacto que lo cancela.

Debo señalar aquí que lo mismo sucede con los agujeros: los agujeros abundan en el lado P, por lo que se difunden hacia el lado N, lo que lo hace más positivo y deja iones negativos en el lado P.

Es el voltaje incorporado que se opone al flujo de corriente. La reducción de ese voltaje mediante la aplicación de una polarización directa permite que los electrones se difundan nuevamente desde la región N a la P, y también permite que los agujeros se difundan desde la región P a la N. Recuerde, el voltaje incorporado hace que la región P sea más negativa. Hacerlo más positivo nuevamente reduce la barrera para que los electrones vayan allí. Cosa que harán algunos de ellos, simplemente porque allí los lanza la energía térmica.

Entonces, en un transistor NPN, para que fluya la corriente, el voltaje de la región P (la base) debe ser más positivo que el emisor.

Otra nota: la corriente no es proporcional al voltaje, sino que está exponencialmente relacionada con el voltaje.

Una vez en la base, los electrones vagan al azar hasta que se recolectan. Después de polarizar directamente la unión base-emisor, los electrones se difunden en la región de la base y luego vagan. Recuerde que el colector está a alto voltaje, por lo que cualquier electrón que logre llegar allí caerá [casi instantáneamente] en él. (A los electrones les encanta ir hacia un voltaje más alto). Por lo tanto, se establece un gradiente de concentración en la región base: concentración cero en la unión base-colector y concentración distinta de cero en la unión base-emisor. Este gradiente provoca un flujo de electrones del emisor al colector. Nuevamente, es un proceso térmico completamente aleatorio.

---

Ahora... Vayamos a sus preguntas. Estoy seguro de que estará lleno de más, pero todo el mundo empieza en alguna parte.

Dado que, independientemente de la polaridad, hay un segmento "N" a cada lado del segmento "P", ¿por qué los BJT tienen polaridad? ¿Cuál es la diferencia entre el colector y el emisor?

El emisor está intencionadamente fuertemente dopado . Esto significa que cuando se polariza hacia adelante la unión base-emisor, se difundirán más electrones de N a P que huecos de P a N. Esto mejora el transistor.$\beta$. Sin embargo, también significa que la unión base-emisor tiene un voltaje de ruptura muy bajo (típicamente alrededor de 7V). Debido a que el colector no está diseñado para inyectar electrones en la base, se puede dopar más ligero para permitir un voltaje de ruptura más alto (por ejemplo, 100 V).

En una hoja de datos, ¿dónde se encuentra la "relación" de carga de "P" a la corriente total que se permite moverse a través del transistor?

El tiempo de tránsito dicta cuánta carga debe almacenarse en la base para obtener una corriente determinada. Es decir, si toma en promedio$\tau_B$segundos para que un electrón viaje del emisor al colector, luego la carga almacenada en la base para obtener una corriente de$I_C$debe ser$Q=\tau_BI_C$.

La frecuencia de transición $f_T$a menudo aparece en las hojas de datos, y puede encontrar el tiempo de tránsito por$\tau_B=\frac{2\pi}{f_T}$.

También se debe invertir un poco de carga adicional para cargar la capacitancia de agotamiento .

Cuando aplicamos una carga negativa a "P" y se permite la corriente a través del transistor, ¿se está aplicando la corriente a "P" (menos la carga requerida para superar la carga positiva de "P") durante el viaje? IE, ¿la corriente aplicada se agregará a la corriente en el emisor?

Cualquiera que sea la corriente que fluya hacia la base, de hecho fluye a través del emisor (y no del colector). Afortunadamente, esta suele ser una pequeña corriente, alrededor del 1% de la corriente que fluye en el colector.

Cuando se usa en un circuito, un transistor NPN solo se puede aplicar a la ruta de corriente que es eléctricamente común con el terminal negativo de su fuente de alimentación, ¿correcto?

No sé a qué te refieres con esto.