¿Por qué el Vbe es una constante de 0,7 para un transistor en la región activa?

Question

Voy a tomar un ejemplo de un simple amplificador de emisor común . Olvídate de los prejuicios y las cosas por ahora, pero concéntrate en el punto crucial de este circuito. Como yo lo entiendo, un voltaje entre el nodo base y el nodo emisor es variado que en última instancia es amplificada por el transistor, haciendo que aparezca una versión invertida (amplificada) de la señal original en el nodo colector.

Ahora mismo, estoy trabajando en un libro; Sedra/Smith, Microelectrónica.

A lo largo del capítulo en el que estoy trabajando, dice que en la región activa, se supone que Vbe es de 0,7V . Esto no tiene sentido para mí, ¿cómo puede Vbe permanecer constante cuando esa es la variable de entrada de una etapa de amplificación? Esto podría haber empezado a tener sentido para mí si estuviera viendo una etapa CE con una resistencia emisora (degeneración del emisor), donde el voltaje restante podría caer a través de la resistencia. Pero este no es el caso, ¡así que ilumíname!

simular este circuito - Esquema creado utilizando CircuitLab

Answer 1

Invirtiendo la ecuación de la corriente del colector:

$$i_C = I_Se^{\frac{v_{BE}}{V_T}}$$

rendimientos:

$$v_{BE} = V_T\ln{\frac{i_C}{I_S}}$$

Por ejemplo, dejemos que

$$V_T = 25mV$$

$$I_S = 1 fA$$

$$I_C = 1mA$$

Con estos valores, encuentra que

$$V_{BE} = 0.691V$$

Ahora, duplica la corriente del colector y encuentra que

$$V_{BE} = 0.708V$$

El aumento de la corriente de colector en un 100% sólo aumentó la tensión base-emisor en un 2,45%.

Así que, aunque es no Si bien es cierto que la tensión base-emisor es constante, no es una mala aproximación considerarla constante en un rango relativamente amplio de corriente de colector.

Answer 2

Vbe en un transistor de silicio, actúa como lo haría un diodo de silicio. La caída de tensión hacia delante, tras el paso de una determinada cantidad de corriente, aumenta bruscamente. El aumento de la corriente hace una diferencia Vf insignificante en ese punto.

Tenga en cuenta que la Vf es diferente para los Diodos de Germanio, y los Transistores, naturalmente.

Answer 3

El modelo de Ebers-Moll para la corriente de emisor en un transistor bipolar es:

\$I_e \approx I_{es} e^{\frac{V_{be}}{V_t}}\$

Dónde \$I_e\$ es la corriente de saturación del emisor, \$V_t\ \approx 26mV\$ es la tensión térmica, y \$V_{be}\$ es la tensión de base a emisor. Para un valor de \$I_{es} = 10^{-12}\$ (en el rango típico de un dispositivo de silicio de pequeña señal), considere el siguiente gráfico de Wolfram Alpha de la ecuación anterior:

Parcela Ebers-Moll

El eje Y es la corriente y está en una escala logarítmica. Observará que para valores de \$V_{be}\$ en el rango de 0,55 a 0,7 voltios, la corriente a través del transistor tiene un rango extremadamente amplio - desde microamperios en el extremo inferior hasta un amperio en el extremo superior. Esto se debe al comportamiento exponencial de la ecuación gobernante.

A efectos de análisis, suponiendo que el \$V_{be}\$ de un transistor de silicio de pequeña señal para cuando está en este rango para cuando está en la región activa es una suposición razonable, ya que si el valor de \$V_{be}\$ fuera significativamente menor, sólo fluiría una pequeña corriente a través del transistor, y si fuera mucho mayor, el transistor tendría que estar pasando amperios de corriente, lo que no es físicamente posible para tal dispositivo.

De nuevo hay que tener en cuenta que esto es sólo una suposición para facilitar el análisis; el \$V_{be}\$ de un dispositivo específico de silicio de pequeña señal en un circuito específico debería estar en este rango si está en la región activa, pero el valor real dependerá de las características del circuito, los parámetros del dispositivo, la temperatura y otros factores.

El circuito que presentas no es un buen ejemplo de situación para aplicar esta simplificación, ya que como dices, el \$V_{be}\$ del circuito es el único parámetro definible por el usuario. Eres libre de seleccionar cualquier voltaje de entrada que desees en este circuito, pero como el emisor está conectado directamente a tierra, cualquier voltaje que apliques será tu \$V_{be}\$ . Por lo tanto, sólo habrá un estrecho rango de voltajes de entrada que permitirán que el circuito presentado esté en la región activa; un poco demasiado bajo y el transistor se cortará, un poco demasiado alto y una enorme corriente fluirá a través de la unión base-emisor, haciendo que el voltaje de colector baje debido a la resistencia de carga, poniendo el transistor en saturación.

Answer 4

El nivel de Fermi es la energía media de los electrones (o huecos) móviles en el material semiconductor. Los niveles de Fermi se expresan en electronvoltios (eV), y pueden considerarse como una representación de la tensión que ven los electrones.

El silicio intrínseco (y el germanio) tiene el nivel de Fermi a medio camino entre el borde superior de la banda de valencia y el borde inferior de la banda de conducción.

Cuando se dobla el silicio a tipo P, se añaden muchos agujeros. Ahora tienes muchos más estados portadores disponibles cerca de la parte superior de la banda de valencia, y esto empuja el nivel de Fermi hacia abajo, cerca del borde de la banda de valencia. Del mismo modo, cuando se dota al silicio de tipo N, se añaden muchos electrones, lo que crea muchos más estados portadores disponibles cerca de la banda de conducción y empuja el nivel de Fermi hacia arriba, cerca del borde de la banda de conducción.

Para los niveles de dopaje típicos de una unión base-emisor, la diferencia de niveles de Fermi entre los lados P y N es de unos 0,7 electronvoltios (eV). Esto significa que un electrón que viaja de N a P vierte 0,7 eV de energía (en forma de fotón: Los materiales y el dopaje se eligen de forma que la diferencia de niveles de Fermi en la unión dé lugar a fotones en la longitud de onda deseada, según la ecuación de Planck). Del mismo modo, un electrón que se desplaza de P a N debe captar 0,7 eV en algún lugar.

En resumen, Vbe es esencialmente la diferencia de niveles de Fermi en los dos lados de la unión.

Esto es material de Semiconductores 101, en el sentido de que tienes que entender esto antes de ir más lejos. El hecho de que sea 101 no significa que sea simple o fácil: se necesitan dos semestres de cálculo, dos semestres de química, dos semestres de física y un semestre de ecuaciones diferenciales para sentar las bases necesarias para la clase de teoría de semiconductores que explica todo lo anterior en detalle.

Answer 5

La unión base-emisor es una unión PN o se puede considerar como un diodo. Y la caída de voltaje a través de un diodo de silicio cuando está polarizado hacia adelante es de ~0,7V. Por eso la mayoría de los libros escriben \$V_{BE} = 0.7V\$ para un transistor de silicio NPN con la unión de emisor polarizada hacia delante a temperatura ambiente.

Pero \$V_{BE}\$ para un determinado transistor no es constante. Varía con la temperatura y la corriente que pasa por la unión.