Una pregunta sobre Vce de un NPN BJT en la región de saturación

El transistor que entra en saturación no es una propiedad del transistor en sí, sino una propiedad del circuito que rodea al transistor y al transistor, como parte de él.

El caso más simple de imaginar es un conmutador NPN. Presentaré dos circuitos de conmutación diferentes para aclarar el punto anterior de manera concreta:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Supongamos un perfecto$\beta=100$en ambos casos se muestra. Vamos a aumentar la corriente de la fuente actual en la base (de uno o ambos NPN) desde$0\:\mu\textrm{A}$a$100\:\mu\textrm{A}$. En ambos casos, la relación de$I_C=\beta\cdot I_B=100\cdot I_B$se considerará válida hasta que alguna otra limitación fuerce esta relación a cambiar.

En el circuito de la izquierda, a medida que aumenta la corriente de base, también aumenta la corriente de colector permitida. Cuando$I_B=90\:\mu\textrm{A}$, entonces$I_C=9\:\textrm{mA}$y la caída de tensión en$R_1$será$I_C\cdot R_1=9\:\textrm{mA}\cdot 1\:\textrm{k}\Omega=9\:\textrm{V}$. Esto funciona bien, ya que el voltaje del colector será entonces$V_C=10\:\textrm{V}-I_C\cdot R_1=1\:\textrm{V}$. Este voltaje está entre el riel de tierra de$0\:\textrm{V}$y el riel de suministro de energía de$10\:\textrm{V}$y dado que el transistor aún no está saturado, como todavía espero$V_C\ge V_B$(dado$V_E=0\:\textrm{V}$.) Pero como$I_B$aumenta aún más hacia$I_B=100\:\mu\textrm{A}$, esperaría que el voltaje del colector caiga aún más hasta un caso final donde$V_C=0\:\textrm{V}$como la caída de voltaje a través$R_1$alcanza un lleno$10\:\textrm{V}$. Esto supone que el coleccionista realmente puede lograr tal situación. Pero no puede. Pero antes de discutir por qué, pasemos al lado derecho.

Mirando el esquema del lado derecho, ves lo mismo excepto que$R_2=10\:\textrm{k}\Omega$, en cambio. Otros detalles siguen siendo los mismos. En este caso, sin embargo, la caída de voltaje a través$R_2$Alcanzará$9\:\textrm{V}$cuando$I_B=9\:\mu\textrm{A}$y$I_C=900\:\mu\textrm{A}$y un completo$10\:\textrm{V}$caída de tensión cuando$I_B=10\:\mu\textrm{A}$. Suponiendo que esto sea incluso posible, ¿qué debería suceder entonces cuando el$I_2$fuente actual aumenta aún más?

Bueno... nada más puede pasar. No hay forma posible de una caída de voltaje aún mayor en la resistencia del colector,$R_2$. Para hacerlo se requeriría$Q_2$colector de pasar a un valor de voltaje negativo con respecto a tierra. Pero no hay fuentes disponibles para ese voltaje negativo y mientras$Q_2$tripas de podría ser capaz de producir voltajes en el medio$0\:\textrm{V}$y$10\:\textrm{V}$,$Q_2$Las tripas no pueden fabricar voltajes fuera de ese rango de la nada. Simplemente no sucede.

Así que el proceso se detiene aquí. Más corriente base no logra nada. Puedes aplicarlo, por supuesto. No hay nada que detener$I_2$desde continuar a la derecha hasta un completo$100\:\mu\textrm{A}$. Entonces eso funciona bien. Pero el voltaje del colector ya no puede continuar en su dirección descendente. Entonces, la corriente del colector simplemente se detiene, independientemente de la corriente base. El resultado es que el efectivo$\beta$cae de 100 a algún valor más bajo, entonces.

Sin embargo, dicho todo esto, un BJT real ni siquiera puede hacer que el voltaje del colector coincida exactamente con el voltaje del emisor. El diodo del colector base puede entrar en un modo de polarización directa para permitir que el colector caiga. Y tiene que hacer eso, si va a exprimir los últimos goteos adicionales restantes de corriente del colector para que la caída de voltaje a través de la resistencia del colector pueda aumentar un poco más. Pero en algún momento antes de que el voltaje del colector alcance el voltaje del emisor, el proceso se detiene. Debe quedar al menos una pequeña diferencia de voltaje, solo para operar. Esto podría causar que el diodo emisor base esté polarizado directamente con$800\:\textrm{mV}$mientras que el diodo del colector base está polarizado directamente con$600\:\textrm{mV}$, de modo que$V_{CE}=200\:\textrm{mV}$. Pero el diodo base-colector no puede tener más polarización directa que el diodo base-emisor. Porque hacerlo requeriría que el BJT presentara un voltaje de colector imposible que no puede observar y no puede simplemente crear de la nada. (Al menos, en los circuitos que he mostrado arriba).

En este punto, también debe quedar claro que el circuito externo importa . Estos dos circuitos eran idénticos excepto por la carga del colector. Pero la limitación de la corriente del colector depende del valor de la resistencia del colector, así como del BJT. Por lo tanto , es mejor no ver la saturación solo como un detalle interno del BJT, sino que también depende de lo que rodea al BJT.

Otra forma de decir esto es que el transistor entra gradualmente en saturación a medida que la corriente del colector, junto con la carga del colector externa a él, hace que el voltaje del colector se mueva de tal manera que el diodo del colector base pasa de tener polarización inversa a volviéndose sesgado hacia delante. Mientras que la unión BC todavía tiene polarización inversa, el transistor está en modo activo . Una vez que la unión BC cambia a polarización directa, el BJT está en modo saturado . Sin embargo, la saturación es gradual en el sentido de que$\beta$disminuye gradualmente y no cambia repentinamente (no es un efecto similar a un interruptor), en los ejemplos anteriores, donde la corriente base cambia gradualmente.

Para fines de diseño, si desea un comportamiento de cambio, anticipe el proceso anterior y simplemente diseñe en torno a algún valor de$\beta$que desea lograr para su interruptor. Si lo busca en una hoja de datos, generalmente habrá una curva que muestra qué tan pequeña es la diferencia entre el colector y el emisor que se puede lograr dado el valor deseado.$\beta$. O, al menos, un ejemplo para$\beta=10$que generalmente se considera un caso altamente saturado para la mayoría (pero no todos) los BJT. Dado que el circuito externo se puede diseñar para forzar una baja$\beta$resultado, que todo funciona bien. (Por supuesto, aún debe tener en cuenta la disipación y otras limitaciones para el BJT).

Con suerte, eso ayuda.

La teoría muy simplista está bien. Sin embargo, la práctica es más complicada, un transistor no son dos diodos aislados ideales.

Entre los detalles, tenemos la resistencia residual de los diodos, la polarización hacia adelante cambia las alturas de barrera efectivas en saturación, la distribución de carga, hacer que el esquema NPN simple funcione como un transistor útil implica mucha tecnología.

Dado que el voltaje directo de la unión es 0.7v, un VCEsat de 0.2v es 'aproximadamente cero'. Mida algunos tipos diferentes de transistores con algunas corrientes, verá una gran variedad de 0.2v dependiendo de las condiciones.

Puede comprar transistores que han sido diseñados para tener un VCEsat muy bajo. IIRC, algunas piezas de Zetek tienen un VCEsat muy bajo.