¿Cómo funciona un transistor?

Question

Aquí podemos ver un Transistor de unión bipolar (BJT), que tiene una configuración de base común. Mi instructor me explicó hace poco su principio de funcionamiento, pero no entendí del todo su explicación, ya que tuve algunos problemas con su explicación. Su explicación fue la siguiente:

El emisor está muy dopado, y la base es muy, muy fina y está muy poco dopada. El colector está moderadamente dopado.

Tenemos dos fuentes de tensión, una con una tensión significativamente mayor que la otra. La fuente de CC con la tensión más alta, A, está conectada en polarización inversa al diodo base-colector, y la fuente de CC con la tensión más baja, B, está conectada en polarización directa con el diodo emisor-base. Al estar conectado en polarización inversa, la zona de agotamiento del diodo base-colector se ensancha.

Ahora, como el diodo emisor-base está conectado en polarización directa con B, los electrones empezarán a fluir desde el terminal negativo de B con el objetivo de moverse hacia el terminal positivo de B. Sin embargo, al llegar a la base, los electrones encuentran muy pocos huecos en comparación con su número. Así, un número muy pequeño de electrones se recombinan con los huecos de la base y generan una pequeña corriente $I_B$ que fluye hacia la base ( $i$ ). El resto de los electrones, que son la mayoría (alrededor del 95%), al ser atraídos por los iones donantes positivos del otro lado de la zona de agotamiento del diodo base-colector, se desplazan hacia el colector y se mueven hacia el terminal positivo de A ( $ii$ ). Por lo tanto, una corriente mucho mayor que $I_B$ , $I_C$ fluye del terminal positivo de A al terminal negativo de A.

Mis problemas:

1. Mi primer problema es con ( $i$ ): La corriente no se mueve por recombinación de electrones y huecos. La corriente se mueve mediante el flujo de electrones o huecos libres. ¿Por qué mencionó esto mi instructor? Estoy muy confuso.
2. Mi segundo problema es con ( $ii$ ): los electrones se sienten atraídos por los iones donantes positivos del otro lado de la zona de agotamiento. Según mi instructor, por eso los electrones se desplazan hacia el colector y se mueven hacia el terminal positivo de A, pero mi pregunta es, los electrones deberían sentirse igualmente repelidos por los iones aceptores negativos descubiertos en la base. Entonces, ¿por qué los electrones se mueven hacia el terminal positivo de A?

Answer 1

Número 1 . Hay varios aspectos a considerar aquí, permítanme saltar por un momento.

Número 2 . Vale, creo que entiendo lo que quiere decir su instructor, pero puede resultar un poco confuso.

• En primer lugar: fuera de la región empobrecida en las uniones EB y BC, en la porción no empobrecida de la base (no lo veo en tu boceto pero está ahí, al menos en condiciones normales), el campo eléctrico es en general muy muy pequeño... para lo que concierne a los portadores minoritarios puedes asumir $\vec{E}\approx\vec{0}$ en la base no agotada (se puede llamar a esto QNR, "región cuasi neutra"). La razón de que esto ocurra no es del todo trivial, pero tiene que ver con el cribado por parte de los portadores mayoritarios.

• Los portadores minoritarios (electrones, en tu NPN) inyectados en la base por la unión EB directamente polarizada no son atraídos por nada, la corriente está ampliamente dominada por la difusión aleatoria más que por la deriva debida a cualquier campo eléctrico residual que pudiera estar presente. Los electrones simplemente van alrededor y exploran la base, al azar. En general, la difusión sólo conduce partículas desde regiones de alta densidad (el borde E de la base) a regiones de baja densidad (el borde C de la base).

• Cuando un electrón, después de difundirse aleatoriamente en la base, alcanza la región de agotamiento de la unión BC, entonces, SÍ, es arrastrado hacia el colector por el campo eléctrico de la unión BC, que está causado básicamente por la atracción de los donantes en el C, como has mencionado.

Así que, como ves al final esto tiene algo que ver con la "atracción por los donantes en el C" pero no es tan sencillo. Digamos que los donantes en el C crean el gradiente de densidad en la base eliminando cualquier electrón que llegue al límite del BC. Esto a su vez, de forma algo indirecta, es lo que impulsa la difusión de electrones a través de la base...

Está claro que la "atracción por donantes en la E" no tiene ningún efecto similar, así que esperemos que esto resuelva tu paradoja: la unión EB está directamente sesgada y hace todo lo contrario que la BC, aumenta la concentración de portadores minoritarios, impulsando de nuevo la difusión... fuera de E.

Rebobinar hasta el número 1 . Los electrones de la base (portadores minoritarios) que llegan a la unión BC son aspirados hacia el colector y son, con diferencia, la principal contribución a la $I_C$ actual. En principio, también tienes agujeros inyectados de C a B... pero esto debería ser super-despreciable en la configuración activa. Un cálculo directo de $I_B$ no es evidente, mejor calcular $I_E$ y luego hacer $I_B=I_E-I_C$ . Bueno... $I_E$ es decir, la corriente que atraviesa la frontera EB, se debe a

• Electrones inyectados de E a B, es decir, los que hemos comentado anteriormente.
• Agujeros inyectados de B a E.

En tu descripción, estás descuidando de alguna manera el segundo término (¡pero está ahí!), así que permíteme que lo descuide también, de lo contrario tendremos que abrir un punto más. Usted ve que $I_E-I_C$ se debe únicamente a los electrones inyectados en la base (contribuyendo así a $I_E$ ) que de alguna manera no son capaces de alcanzar el extremo C (contribuyendo así a $I_C$ ). Así que ya ves que es bastante correcto calcular $I_B$ como correspondiente a la carga perdida por unidad de tiempo por recombinación en la base.

[Editar] Posible comentario adicional útil. Si desea obtener la imagen completa, realmente le aconsejo que busque en ese B $\rightarrow$ E corriente de agujero que descuidamos anteriormente, porque eso no es irrelevante. En realidad, los transistores suelen tener una base corta con respecto a la longitud de difusión, lo que implica que la recombinación en la base podría no ser tan importante (en la "base corta aprox" incluso la desprecias por completo). En ese límite, $I_B$ está relacionada principalmente con la corriente de agujeros en la unión EB, más que con la recombinación en B. Entonces verás que todas las reglas generales de diseño tienen bastante sentido: quieres un dopaje E grande (minimiza la proporción de corriente de agujeros en la unión EB), quieres un dopaje B bajo (maximiza la inyección de electrones en B, mejora la difusión que a su vez impulsa $\beta$ y disminuye los tiempos de respuesta)... no se desea un dopaje B demasiado bajo, de lo contrario se podría agotar completamente B al invertir la polarización BC, y eso es malo (se obtiene un "punch through" y todo se desmorona, probablemente incluyendo el propio dispositivo).

Answer 2

El emisor está muy dopado, y la base es muy, muy fina y está muy poco dopada. El colector está moderadamente dopado.

Normalmente, el emisor es el más dopado, el colector el menos dopado y la base se encuentra en algún punto intermedio.

La corriente no se mueve por recombinación de electrones y huecos. La corriente se mueve por medio del flujo de electrones o huecos libres. ¿Por qué mi instructor mencionó esto? Estoy muy confundido.

Uno de los tipos de corriente de los que se habla a menudo en los semiconductores es la "corriente de recombinación". Es la corriente que fluye para compensar los portadores que se recombinan. A medida que los portadores inyectados desde el emisor a la base se recombinan, se inyectan portadores adicionales desde la base para compensarlos.

los electrones se sienten atraídos por los iones donantes positivos del otro lado de la zona de agotamiento. Según mi instructor, es por eso que los electrones se desplazan hacia el colector y se mueven hacia el terminal positivo de A, pero mi pregunta es, los electrones deben sentirse igualmente repelidos por los iones aceptores negativos descubiertos en la base. Entonces, ¿por qué los electrones se mueven hacia el terminal positivo de A?

No creo que la explicación de su instructor, tal como está redactada aquí, sea correcta. Vamos a suponer un npn para este ejemplo. Intercambia electrones y agujeros en mi explicación para obtener la misma idea para pnp.

En primer lugar, hablemos de la unión base-colector en polarización inversa. No hay muchos electrones en la base porque es de tipo p. Pero los que hay se mueven al azar. Pero los que están allí se mueven al azar. Algunos se encontrarán en el borde de la región de agotamiento y caerán por esa pendiente energética contribuyendo a la corriente de saturación inversa del diodo.

Ahora, introduzcamos el emisor. La unión emisor-base con polarización directa inyecta un montón de electrones extra en la base. Estos se difunden de forma natural por la base y llegan a la unión base-colector, donde caen por la pendiente de energía.

El ajuste de la tensión base-emisor permite ajustar la cantidad de electrones que se inyectan en la base y, por tanto, modular la corriente a través del dispositivo.

Answer 3

En primer lugar, observa que el diagrama de tu circuito muestra el flujo de corriente convencional, lo que puede resultar muy confuso para un estudiante que intente comprender el funcionamiento de un diodo, por no hablar de un transistor. Invirtiendo las flechas de su diagrama para mostrar el flujo de electrones se muestra más claramente la física de lo que está pasando:

Los electrones fluyen desde el terminal negativo de la pila hacia el emisor en un estado de alta energía como n portadores, luego se mueven hacia la base donde pueden difundirse hacia la región del colector permaneciendo en su estado de alta energía como n portadores, o moverse hacia un estado de energía más bajo vacante en la base aka combinarse con un "agujero", y emitir un fotón. Si se difunde en la región del colector, se altera el equilibrio eléctrico del colector, de modo que un electrón del otro extremo se desplaza al terminal positivo de la pila para compensar. Si se combina con un agujero en la base, se altera la neutralidad de la base, lo que provoca que el terminal positivo de la pila recoja un electrón en el otro extremo de la región de la base para compensar. De este modo se mantiene el equilibrio eléctrico general.

Cuestión (i): los electrones y los huecos que se combinan en la región de la base perturban el equilibrio eléctrico de la base; provocando corrientes de compensación que entran/salen de la región dependiendo del tipo de transistor y del tipo de corriente que se muestre: convencional o de electrones.

Cuestión (ii): electrones difusa hacia la región del colector en lugar de ser atraído eléctricamente hacia allí.