Otra forma de plantear la pregunta es: ¿unir dos diodos con cables (pn-np) hace un transistor equivalente?
He leído que no son equivalentes, ¿pero por qué?
Mucha gente cree que la respuesta a esta pregunta está relacionada con la anchura de la región de la base en los transistores BJT, lo cual es incorrecto. La respuesta es bastante larga. Puede leer a partir de la sección "Pregunta difícil" si desea la línea de fondo.
Creo que te ha llevado a hacer esta pregunta algo parecido a esta foto:
Esta es una práctica estándar para enseñar los fundamentos del BJT, pero puede confundir a alguien que no esté familiarizado con la teoría de los semiconductores en detalle.
Para responder a tu pregunta a un nivel aceptable, tengo que suponer que estás familiarizado con los principios de funcionamiento del diodo PN. Esta referencia contiene un análisis detallado de las uniones PN.
La respuesta se refiere al transistor NPN, pero también se aplica a los transistores PNP tras un cambio adecuado de polaridades.
NPN en modo de funcionamiento activo:
El modo de funcionamiento más "útil" del transistor BJT se denomina "activo hacia delante":
El NPN está en modo activo cuando:
Debido a que la unión Base-Emisor está polarizada hacia delante, hay una inyección de electrones del Emisor a la Base ( \$I_{E_n}\$ en la imagen anterior), 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 de la Base ( \$p\$ ), por lo que la corriente debida a los electrones inyectados en la Base es mucho mayor que la corriente debida a los huecos inyectados en el Emisor.
Obsérvese que los agujeros inyectados en el Emisor se suministran desde el electrodo de la Base (corriente de la Base), mientras que los electrones inyectados en la Base se suministran desde el electrodo del Emisor (corriente del Emisor). La relación entre estas corrientes es lo que convierte al BJT en un dispositivo amplificador de corriente: una pequeña corriente en el terminal de la Base puede provocar una corriente mucho mayor en el terminal del Emisor. La amplificación de corriente convencional se define como la relación de corrientes Colector-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 Base hasta la unión de polarización inversa Base-Colector. Una vez que un electrón llega allí, es barrido a través de la región de agotamiento Colector-Base y es inyectado en el Colector contribuyendo así a la corriente del Colector ( \$I_C\$ en la imagen de arriba).
Ahora bien, si todos estos electrones inyectados desde el Emisor pudieran difundirse hasta la unión Base-Colector con polarización inversa sin estar sujetos a otros efectos, no tendría ninguna importancia la anchura de la región de la Base. Sin embargo, hay recombinación en la Base.
En el proceso de recombinación los electrones inyectados se encuentran con los huecos y se "neutralizan" mutuamente. El electrón inyectado se "pierde" en este proceso y no contribuirá a la corriente en el terminal del colector. Pero espera, la conservación de la carga requiere que el agujero que se recombina con el electrón inyectado sea suministrado desde algún lugar, ¿verdad? Resulta que los agujeros que se recombinan también son suministrados desde el terminal Base ( \$I_{B2}\$ en la imagen de arriba) aumentando así la corriente de la Base y disminuyendo la relación de corrientes del Emisor a la Base (que representa la ganancia de corriente del transistor, ¿recuerdas?).
Esto significa que cuantos más electrones se recombinen durante la difusión a través de la región de la base, menor será la ganancia de corriente del transistor. El fabricante debe minimizar la recombinación para conseguir un transistor funcional.
Hay muchos factores que afectan a las tasas de recombinación, pero uno de los más importantes es la anchura 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, y más posibilidades tendrá de encontrarse con un agujero y recombinarse. Los fabricantes tienden a hacer BJTs con Bases muy cortas.
Entonces, ¿por qué dos diodos PN espalda con espalda no pueden funcionar como un único NPN?
La discusión anterior explica por qué la Base debe ser corta. Los diodos PN (normalmente) no tienen estas regiones cortas, por lo que la tasa de recombinación será muy alta y la ganancia de corriente 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 único BJT!
Pregunta complicada:
Con distintos grados de precisión, muchas personas pueden responder a su pregunta inicial como lo hice yo. Sin embargo, la pregunta más interesante es la siguiente: si hacemos \$p\$ lados de ambos diodos muy cortos, de forma que la suma de sus anchos no sea mayor que la región de la 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 del BJT es muy corta" ya no es aplicable.
Resulta que este enfoque no hará que dos diodos tengan un comportamiento similar al de 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 excesivos se "recombinan" con los "huecos" suministrados 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 entran en el metal, no se puede conseguir la funcionalidad del transistor.
La forma alternativa de comprender el punto anterior es darse cuenta de que el diodo colector-base está en polarización inversa, pero sigue conduciendo una corriente elevada. Este modo de funcionamiento no puede lograrse con los diodos PN autónomos que conducen una corriente insignificante en polarización inversa. La razón de esta restricción es la misma: el exceso de electrones del lado P del diodo polarizado hacia delante no puede ser barrido hacia el lado P del diodo polarizado hacia atrás a través del hilo metálico en la "configuración de diodo tipo BJT". En su lugar, son barridos hacia la fuente de alimentación que proporciona una tensión de polarización al terminal común de los diodos.
Hubo una pregunta de seguimiento en la que se pedía un razonamiento más riguroso para los dos párrafos anteriores. La respuesta se refiere a las interfaces metal-semiconductoras y se puede encontrar aquí .
Lo que significa lo anterior es que la discusión de la anchura de la región de la base está relacionada con la discusión de la eficacia de los transistores BJT, y es completamente irrelevante para la discusión de dos diodos PN espalda con espalda como sustituto de un BJT.
Resumen:
Dos diodos PN colocados uno detrás del otro no pueden funcionar como un solo BJT porque la funcionalidad del transistor requiere la región de la base del semiconductor solamente. Una vez que se introduce un metal en este camino (que es lo que representan dos diodos espalda con espalda), no es posible la funcionalidad del BJT.
Había pensado que la diferencia era de geometría (según mi entendimiento, los BJT generalmente no son simétricos, sino que tienen el emisor en el medio, rodeado por el colector que a su vez está rodeado por la base), pero tiene sentido que el comportamiento transistorio no pueda penetrar el metal.
@vasiliy gracias por una excelente respuesta y por corregirme. Parece, según leo tu explicación, que la acción del transistor puede ocurrir en bases más amplias pero, la ganancia de corriente se reduce debido a la recombinación durante la difusión en la región de la base y agregar metal detendrá por completo la acción del transistor. Gracias +1
¡Gracias! Las ideas clave para mí fueron: (A) La unión C-B es mucho más débil que la unión E-B debido a una dopación más ligera del colector; (B) hay 2 tipos de corriente aquí: 1) impulsada por electrones libres moviéndose como desean; 2) impulsada por electrones ligados saltando de agujero en agujero. Los electrones libres no tienen mucho problema pasando la unión más débil C-B una vez que han pasado por E-B.
No. Dos diodos seguidos 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 de base es muy delgada. En términos de física de semiconductores, no hay dos regiones de agotamiento 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.
@Curd: Sí lo hace, pero aparentemente no al nivel que deseas conocer. Podría responder con la corriente base inyectando portadores en la región base, pero entonces podrías preguntar por qué se necesitan los portadores, etc. Debemos detenernos en algún momento. Una pregunta rudimentaria obtiene una respuesta rudimentaria.
Solo me falta la palabra clave "difusión", que es el principio básico en un BJT, el cual también explica por qué requiere una base delgada (ver mi respuesta).
De Wikipedia
Los transistores pueden considerarse como dos diodos (uniones P-N) compartiendo una región común por la que los portadores minoritarios pueden moverse. Un BJT PNP 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 hará 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 necesita estar conectado directamente.
¿Por qué los portadores minoritarios de carga no pueden ir de una unión PN a la otra a través del alambre?
Porque es un conductor largo en lugar de una pequeña región de semiconductor. La respuesta de Olin amplía esto.
Puede valer la pena pensar en la pregunta equivalente para los tubos de vacío. ¿Por qué dos tubos de diodos colocados uno detrás del otro 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 pasar a través de la malla de la rejilla para llegar al ánodo. Si conectara dos tubos de diodos juntos y llamara al enlace entre ellos una rejilla, o si hiciera que la rejilla de un triodo fuera un trozo sólido de papel de aluminio en lugar de una rejilla, entonces todos los electrones llegarían hasta la rejilla y se detendrían allí, drenándose hacia la fuente de rejilla en lugar de ser reemitidos para llegar al ánodo. Para que un triodo funcione correctamente, tiene que haber una oportunidad para que el momento de los electrones los lleve directamente a través de la rejilla, impulsados por algo más que solo el potencial entre la rejilla y el ánodo.
Los efectos físicos en juego en un transistor de semiconductor son diferentes, pero la idea fundamental de que la corriente debe poder evitar el cable que de otro modo la absorbería en el centro sigue siendo la misma.
¿No son los tubos de vacío más similares a los JFET que a los transistores bipolares? En un tubo, la compuerta actúa como un ánodo, y si el voltaje de la rejilla se vuelve más negativo repelerá a los electrones restringiendo su flujo. No hay un diodo entre el ánodo y la rejilla. El esquema aquí sería ................................ (A)--->|---(C)---|<---(G), el punto común es el cátodo en lugar de la rejilla.
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Para empezar, los agujeros no atravesarán los cables de metal.
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Vine aquí después de leer un artículo que me enseñaba sobre los transistores BJT y mostraba un diagrama de circuito equivalente con dos diodos. No tenía sentido según lo que sé acerca de cómo funcionan los transistores PNP y NPN, así que pensé que tenía que haber algo más en juego. Sólo quiero señalar que algunas personas están siendo enseñadas de manera engañosa.