Transistores BJT saturados.

Nós os usamos todos os dias e os conhecedores entendem completamente as características funcionais dos transistores BJT. Muitos documentos e links explicam a matemática operacional. Existem até vários vídeos legais que explicam as teorias atuais de como eles funcionam fisicamente. (A maioria é dada por pessoas que falam "inglês de telemarketing" por algum motivo).

No entanto, tenho que admitir, mesmo após mais de 40 anos, muito do que tenho de aceitar pelo valor de face, pois as descrições de como a junção de coletor se encaixa na equação são sempre um pouco onduladas.

De qualquer forma, tirando isso, há uma faceta que realmente não entendo. Parece desafiar as leis da física, as Leis de Kirchhoff et.al.

Estou falando do seu circuito emissor saturado comum.

É sabido e aceitamos que, quando saturada, a tensão do coletor será menor que a tensão básica. Obviamente, usamos isso para nossa vantagem em circuitos e escolhemos peças para nos fornecer o menor Vce-Sat possível para uma corrente de carga específica.

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Tudo bem e elegante, até você olhar para o modo por excelência de um transistor NPN típico ...

Como diabos o coletor pode ter uma tensão mais baixa do que a base naquele sanduíche?

Mesmo se você adicionar alguma tensão do tipo back-EMF para explicá-la, a corrente do coletor estaria indo na direção errada através da junção do coletor de base.

Em um transistor bipolar, o emissor possui um doping muito maior que a base. Quando você aplica uma polarização direta ao diodo emissor-base, a corrente flui e, devido ao doping mais alto no emissor, muito mais elétrons fluem do emissor para a base do que os furos fluem da base para o emissor.

A corrente em um semicondutor pode fluir através de dois mecanismos principais: há corrente "drift", em que um campo elétrico acelera elétrons em uma determinada direção. Essa é a maneira simples do fluxo atual com o qual estamos acostumados. Também há corrente de "difusão", na qual os elétrons se deslocam de áreas de maior concentração de elétrons para áreas de menor concentração, como a água que absorve uma esponja. No entanto, esses elétrons difusores não podem se mover para sempre, pois em algum momento atingem um buraco e se recombinam. Isso significa que elétrons difusos (livres) em um semicondutor têm meia-vida e o chamado comprimento de difusão, que é a distância média que eles percorrem antes de recombinar com um buraco.

Difusão é o mecanismo pelo qual uma junção de diodo cria sua região de depleção.

Agora, se o diodo emissor de base é polarizado para frente, a região de depleção do diodo emissor de base fica menor e os elétrons começam a se difundir dessa junção para a base. No entanto, como o transistor é construído de modo que o comprimento de difusão desses elétrons seja maior que a base, muitos desses elétrons conseguem se difundir através da base sem recombinar e sair no coletor, efetivamente "encapsulando" através da base, não interagindo com os orifícios existentes. (A recombinação é um processo aleatório e não acontece imediatamente, e é por isso que a difusão existe em primeiro lugar.)

Então, no final, alguns elétrons acabam no coletor por movimento aleatório. Agora que eles estão lá, os elétrons só podem voltar à base quando superarem a tensão de polarização direta do diodo coletor de base, fazendo com que eles se amontoem no coletor, diminuindo a tensão lá, até que possam superar a junção coletor de base e fluxo de volta. (Na realidade, esse processo é um equilíbrio, é claro.)

Com as tensões aplicadas à base, emissor e coletor, você cria apenas os campos elétricos no semicondutor que causam desvio de elétrons em direção à região de depleção, alterando a concentração de elétrons no cristal, o que resulta na corrente de difusão fluindo através do base. Enquanto elétrons únicos são influenciados pelos campos elétricos criados pelas tensões nos terminais do transistor, eles próprios não têm tensão, apenas níveis de energia. Dentro de uma parte do cristal que geralmente está na mesma voltagem, os elétrons podem (e terão) energia diferente. De fato, dois elétrons nunca podem ter o mesmo nível de energia.

Isso também explica por que os transistores podem funcionar de maneira inversa, mas com muito menos ganho de corrente: é mais difícil os elétrons se difundirem na região do emissor altamente dopado do que no coletor levemente dopado, já que a concentração de elétrons já é bastante alta lá. Isso torna esse caminho menos favorável para os elétrons do que no transistor não reverso; portanto, mais elétrons fluem diretamente para fora da base e o ganho é menor.

Como diabos o coletor pode ter uma tensão mais baixa do que a base naquele sanduíche?

$0.7\,\mathrm{V}$$0.4\,\mathrm{V}$

Portanto, sua verdadeira pergunta é provavelmente: Dadas as tensões aplicadas, como é que a lei da física permite que a corrente do coletor flua para o coletor?

Essas são as únicas restrições impostas pela física às tensões e correntes terminais no caso estático. Como você pode ver, todas as condições acima são válidas para um BJT saturado.

Sua confusão provavelmente vem de assumir implicitamente um dispositivo linear , o que um BJT não é.

Lembre-se de que a base não possui a mesma voltagem em toda a sua área. Existe uma resistência irredutível à "folha" associada à base, cuja conexão externa deve estar necessariamente na borda da estrutura em algum sentido. Como existe uma distribuição de corrente dentro dessa "folha", também há uma distribuição de tensão.

Assim, na saturação, a corrente que flui para o terminal base passa por ambas as junções de diodo com polarização direta (BE e BC), próximas ao terminal base. A corrente que foi para o coletor flui para o emissor através de uma parte diferente da base, que fica mais distante do terminal da base.

Em essência, a queda de tensão através da resistência básica inerente é o que permite a distribuição de tensão que vemos nos terminais externos.

BJTs são dispositivos atuais. Quando na região ativa, muitos elétrons dos emissores (os emissores são fortemente dopados e mais negativos do que a base) entram na base (levemente dopados) e alguns caem nos menos orifícios da base, mas mais difusos no coletor, causando Ic . Quando saturado, o coletor também é mais negativo que a base, portanto contribui com alguns elétrons para a base. Como o coletor contribui com mais elétrons para a base (Vbc é mais positivo), segue-se que a corrente do coletor-emissor será menor. À medida que Vbc diminui (Vce (sat) é maior), a corrente de saturação pode ser maior. Assim, uma vez na saturação, a tensão do coletor sobe com a corrente do coletor.

Você pode executar um transistor com o coletor e o emissor invertidos. Como o coletor é dopado levemente em comparação com o emissor, o ganho é péssimo, mas o Vce (sat) ficará baixo na faixa de mV único. Na era pré-FET, usamos essa abordagem para aterrar entradas analógicas em amostras e porões, etc.

São os diferentes portadores e diferentes modos de movimento. Falando sobre NPN.

À medida que você aumenta a tensão básica, os furos começam a se mover através da barreira do potencial de junção BE e você obtém muito mais elétrons de volta. Os elétrons se movem através da base por difusão, passando de uma alta concentração para uma baixa concentração, eles não são movidos por tensão.

Você acaba com um monte de elétrons livres na junção BC formando uma região carregada negativamente e eles são varridos por qualquer tensão positiva no coletor.

POTENCIAIS DE JUNÇÃO NÃO RECTIFICANTES. Esse é o truque.

Todo mundo está perdendo um fato simples e muito básico. (A maioria dos livros didáticos para iniciantes também sente falta disso. Até mesmo alguns profissionais de engenharia parecem sem noção.) O fato: as junções sempre têm uma tensão através delas, mesmo quando não são energizadas, mesmo quando é metal-silício sem efeito de diodo ... e mesmo quando a junção é ferro-cobre, cromel-alumel, etc.

Em outras palavras, se queremos entender tudo sobre diodos e transistores, não podemos ignorar a física dos termopares e as JUNÇÕES NÃO RECTIFICATIVAS. Se o fizermos, o Vce se tornará inexplicável, um mistério sombrio da engenharia.

[mais por vir]

Idealmente, o Vbe corresponde ao Vcb e ambos são conduzidos para a frente com Vce (sat) = 0 em Imax e Ic / Ib = 10.

Como Dave T. apontou, a resistência ao espalhamento da base Vbe (também conhecida como série R ou ESR) não é uniforme, mas ao criar vários poços de base estreitos em paralelo, o desempenho melhora.

Quando a VHS da junção BE dopada mais alta menor é maior que a VHS maior da junção CB, obtemos um Vbe maior que Vcb, assim Vce (sat) aumenta. O ganho atual caiu agora para cerca de 10% do máximo.

• O processo epitaxial é geralmente plano que vertical.
• A implantação de íons é usada para as junções de emissor e base.
• $R_{CE}$
• muito mais elétrons injetados na base do que buracos no emissor
• como a base é muito estreita, a maioria dos elétrons emissores viaja através da base e alcança o coletor

A Zetex inventou cerca de 100 patentes de processo em torno dessa tecnologia epitaxial e agora como a Diodes Inc tem muitos produtos, embora mais caros tenham tamanhos de matrizes semelhantes com o Rce nos 10 anos de miliohms, em vez de latas TO-3 obsoletas com Rce na faixa de 1 Ohm. Isso reduz significativamente a dissipação de calor em altas correntes.

ON Semi também possui suas próprias peças Vce baixas (sat).

Este SOT-23 tem <13 centavos de volume e tem Rce = 45 mOhm no máximo. Vce max = 12V