Por que dois diodos conectados em série não podem atuar como um BJT?

Outra forma da questão é: unir dois diodos com fios (pn-np) fará um equivalente do transistor?

Eu li que eles não são equivalentes, mas por quê?

Muitas pessoas pensam que a resposta a esta pergunta está relacionada à largura da região Base nos transistores BJT - está incorreta. A resposta ficou bastante longa. Você pode ler a partir da seção "Pergunta complicada", se desejar obter os resultados finais.

Acredito que você foi levado a fazer essa pergunta devido a algo como esta imagem:

Essa é uma prática padrão de ensino dos conceitos básicos de BJT, mas pode confundir alguém que não está familiarizado com a teoria dos semicondutores em detalhes.

Para responder sua pergunta em um nível aceitável, preciso assumir que você está familiarizado com os princípios de operação do diodo PN. Esta referência contém uma discussão detalhada das junções PN.

A resposta diz respeito ao transistor NPN, mas também se aplica aos transistores PNP após a alteração apropriada das polaridades.

NPN no modo de operação ativo para frente:

O modo de operação mais "útil" do transistor BJT é chamado "ativo para a frente":

O NPN está no modo ativo para a frente quando:

• A junção do emissor base é polarizada para a frente (geralmente em )$V_{BE}\approx 0.6V$
• A junção base-coletor é polarizada inversamente ( )$V_{CB}>0$

Como a junção emissor-base é enviesada para frente, há uma injeção de elétrons do emissor para a base ( na imagem acima) e a injeção simultânea de orifícios da base para o emissor ( na imagem acima). A região do emissor ( ) é muito mais dopada que a região da Base ( ); portanto, a corrente devido aos elétrons injetados na Base é muito maior que a corrente devido aos orifícios injetados no emissor. I B 1 = I E p n + +$I_{E_n}$$I_{B1}=I_{E_p}$$n^{++}$$p$

Observe que os orifícios injetados no emissor são fornecidos pelo eletrodo base (corrente da base), enquanto os elétrons injetados na base são fornecidos pelo eletrodo emissor (corrente do emissor). A razão entre essas correntes é o que faz do BJT um dispositivo de amplificação de corrente - uma pequena corrente no terminal da Base pode causar uma corrente muito maior no terminal do Emissor. A amplificação de corrente convencional é definida como a razão das correntes Coletor-Base, mas é a razão entre as correntes acima que torna possível qualquer amplificação da corrente.

Devido à injeção de grande quantidade de elétrons do emissor, os elétrons tendem a se difundir através da junção polarizada inversa Base-Base-Collector. Quando um elétron chega lá, ele é varrido pela região de depleção da base do coletor e é injetado no coletor, contribuindo assim para a corrente do coletor ( na imagem acima).$I_C$

Agora, se todos esses elétrons injetados no Emissor pudessem se difundir na junção Base-Coletor com polarização reversa sem estar sujeitos a outros efeitos - não haveria importância alguma para a largura da região da Base. No entanto, há recombinação na Base.

No processo de recombinação, os elétrons injetados encontram buracos e "neutralizam" um ao outro. O elétron injetado é "perdido" nesse processo e não contribui para a corrente no terminal do coletor. Mas espere, a conservação da carga exige que o buraco que recombinado com o elétron injetado seja fornecido de algum lugar, certo? Acontece que os orifícios de recombinação também são fornecidos a partir do terminal Base ( na imagem acima), aumentando assim a corrente da Base e diminuindo a taxa de correntes emissor-base (que representa o ganho de corrente do transistor, lembra-se?).$I_{B2}$

O exposto acima significa que quanto mais elétrons se recombinam durante a difusão através da região Base, menor o ganho de corrente do transistor. Cabe ao fabricante minimizar a recombinação para fornecer um transistor funcional.

Existem muitos fatores que afetam as taxas de recombinação, mas um dos mais importantes é a largura da Base. É evidente que quanto maior a Base, mais tempo levará para o elétron injetado se difundir através da Base, maior a chance de encontrar um buraco e recombinar. Os fabricantes tendem a fabricar BJTs com bases muito curtas.

Então, por que dois diodos PN consecutivos não podem funcionar como um único NPN:

A discussão acima explicou por que o Base deve ser curto. Os diodos PN (geralmente) não possuem regiões curtas, portanto a taxa de recombinação será muito alta e o ganho atual será aproximadamente de unidade. O que isto significa? Isso significa que a corrente no terminal "Emissor" será igual à corrente no terminal "Base" e a corrente no "Coletor" será zero:

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

Os diodos estão funcionando como dispositivos independentes, não um único BJT!

Questão capciosa:

Com vários graus de precisão, muitas pessoas podem responder à sua pergunta inicial como eu. No entanto, a questão mais interessante é esta: se tornarmos os lados de ambos os diodos muito curtos, de modo que a soma de suas larguras não seja maior que a região Base do transistor NPN, os diodos funcionarão como um transistor?$p$

É mais difícil responder a essa pergunta porque a resposta direta de "não, a base do BJT é muito curta" não é mais aplicável.

Acontece que essa abordagem não produzirá dois diodos de comportamento semelhante a um único transistor NPN. A razão é que, no contato metálico do diodo, onde o metal e o semicondutor estão em contato, todos os elétrons em excesso "se recombinam" com os "orifícios" fornecidos pelo contato. Não é a recombinação usual, pois os metais não têm furos, mas a distinção fina não é tão importante - uma vez que os elétrons entram no metal, nenhuma funcionalidade do transistor pode ser alcançada.

A maneira alternativa de compreender o ponto acima é perceber que o diodo Collector-Base é polarizado inversamente, mas ainda conduzindo alta corrente. Este modo de operação não pode ser alcançado com diodos PN independentes que conduzem correntes desprezíveis sob polarização reversa. O motivo dessa restrição é o mesmo - o excesso de elétrons do lado P do diodo polarizado para a frente não pode ser varrido para o lado P do diodo polarizado reverso através do fio de metal em "Configuração do diodo tipo BJT". Em vez disso, eles são varridos para a fonte de alimentação, fornecendo um viés de tensão para o terminal comum dos diodos.

Houve uma pergunta de acompanhamento que solicitou fornecer um raciocínio mais rigoroso para os dois parágrafos acima. A resposta diz respeito às interfaces metal-semicondutor e pode ser encontrada aqui .

O que o acima significa é que a discussão da largura da região Base está relacionada à discussão da eficácia dos transistores BJT e é completamente irrelevante para a discussão de dois diodos PN consecutivos como um substituto para um BJT.

Resumo:

Dois diodos PN consecutivos não podem funcionar como um único BJT porque a funcionalidade do transistor requer apenas a região Base semicondutora. Depois que um metal é introduzido nesse caminho (que é o que dois diodos consecutivos representam), nenhuma funcionalidade BJT é possível.

Não. Dois diodos consecutivos NÃO são um transistor. A propriedade especial que torna um PNP ou NPN um transistor em vez de apenas dois diodos é que a camada base é muito fina. Em termos de física de semicondutores, não existem duas regiões de depleção separadas na base. As regiões de depleção das duas junções se sobrepõem na base, o que é necessário para o transistor ter suas propriedades especiais.

Da Wikipedia

Os transistores podem ser vistos como dois diodos (junções P-N) que compartilham uma região comum pela qual as transportadoras minoritárias podem se mover. Um PNP BJT funcionará como dois diodos que compartilham uma região de cátodo do tipo N e o NPN como dois diodos que compartilham uma região de ânodo do tipo P. A conexão de dois diodos com os fios não produzirá um transistor, pois as transportadoras minoritárias não poderão passar de uma junção P-N à outra através do fio.

Basicamente, o semicondutor precisa ser conectado diretamente.

Pode valer a pena pensar na pergunta equivalente para tubos de vácuo. Por que dois tubos de diodo consecutivos não podem funcionar como um triodo? A resposta é que, para que um triodo funcione corretamente, a maioria dos elétrons emitidos pelo cátodo precisa passar pela malha da grade para alcançar o ânodo. Se você conectasse dois tubos de diodo juntos e chamasse o link entre eles de grade, ou se transformasse a grade de um triodo em um pedaço sólido de papel alumínio em vez de em uma grade, todos os elétrons chegariam até a grade e parariam lá, drenando para o suprimento da rede em vez de ser reemitido para chegar ao ânodo. Para a operação correta de um triodo, deve haver uma oportunidade para o momento dos elétrons carregá-los através da grade, impulsionado por mais do que apenas o potencial entre a grade e o ânodo.

Os efeitos físicos em jogo em um transistor semicondutor são diferentes, mas a idéia fundamental de que a corrente deve ser capaz de desviar o fio que, de outra forma, seria sugado no meio, permanece a mesma.

Esta é uma versão muito reduzida da resposta já aceita.

O metal possui propriedades diferentes do semicondutor, portanto, não unifica os dois N em um único N. Os dois diodos serão um componente PN-metal-NP que não é um componente NPN. (Vice-versa para PNP.)

(Se você cortar a base de um transistor com uma fina folha de metal, ele deixará de funcionar.)

Um BJT baseia-se no princípio de difusão (de transportadoras minoritárias).

Funciona apenas se a espessura da base estiver na ordem do comprimento de difusão .

Isso não pode ser conseguido conectando dois diodos discretos.

Não, porque para fazer um transistor precisa apenas de uma fina camada entre o emissor e o coletor, mas se você conectar dois diodos consecutivos, haverá uma camada espessa que dificilmente penetrará nos elétrons

Basicamente, um dos diodos será desligado devido à diferença de tensão no emissor-base ou no coletor (0,7 em qualquer configuração). Uma abordagem mais próxima será um zener e dois diodos, mas ainda não funcionará como um transistor nem como algo útil. Sou péssimo para explicar, mas a resposta pode ser encontrada para entender como eliminar a queda de tensão em um diodo , algo raramente encontrado nos livros, mas extremamente importante. Agora tente imaginar uma bateria de 0,7V em paralelo com um diodo conectado a um sinal, depois ele será iniciado a partir de 0 e entrará em colapso em 0 (não o típico -0,7). Bem, há mais do que isso, mas estou apenas tentando apontar para algum lugar.