La estructura de un transistor bipolar
La ubicación física de la base es entre el emisor y el colector y está fabricada con material de alta resistividad ligeramente dopado. El colector rodea el área de la base. Debido a la polarización inversa de la unión del colector, es difícil inyectar electrones en el área de la base desde aquí, lo que hace que la ganancia de corriente de la base de *** sea aproximadamente igual a 1, mientras que *. La ganancia de corriente del emisor de ** es mayor. Como puede ver en el esquema de la sección transversal de un transistor bipolar NPN típico a la derecha, el área de la unión del colector es mayor que el área de la unión del emisor. Además, el emisor tiene una concentración de dopaje relativamente alta.
En términos generales, varias regiones de un transistor bipolar son asimétricas en propiedades físicas y dimensiones geométricas. Suponga que el transistor conectado en el circuito está ubicado en el área de amplificación directa. Si las conexiones del colector y el emisor del transistor en el circuito se intercambian en este momento, el transistor abandonará el área de amplificación directa y entrará en el área de trabajo inversa. . La estructura interna del transistor determina que es adecuado para trabajar en el área de amplificación directa, por lo que la ganancia de corriente de base * * * y la ganancia de corriente del emisor * * * en el área de trabajo inversa son mucho más pequeñas que las del área de amplificación directa. Esta asimetría funcional se debe básicamente a los diferentes niveles de dopaje del emisor y del colector. Por lo tanto, en un transistor NPN, aunque tanto el colector como el emisor están dopados con N, sus propiedades y funciones eléctricas son completamente intercambiables. La región emisora tiene el nivel de dopaje más alto, seguida por la región colectora y la región base tiene el nivel de dopaje más bajo. Además, las dimensiones físicas de las tres regiones también son diferentes, siendo la región de base muy delgada y el área del colector mayor que el área del emisor. Debido a que el transistor bipolar tiene tal estructura material, puede proporcionar una polarización inversa para la unión del colector, pero el requisito previo para esto es que la polarización inversa no puede ser demasiado grande como para dañar el transistor. El propósito de dopar fuertemente el emisor es aumentar la eficiencia de la inyección de electrones desde el emisor a la región base para obtener la mayor ganancia de corriente posible.
En el método de conexión del emisor * * * de un transistor bipolar, un ligero cambio en el voltaje aplicado a través de la base y el emisor provocará un cambio significativo en la corriente entre el emisor y el colector. Con esta función, se puede amplificar la corriente o el voltaje de entrada. Con la base del transistor bipolar como terminal de entrada y el colector como terminal de salida, esta red de dos puertos se puede analizar utilizando el teorema de Thevenin. Según el principio de equivalencia, un transistor bipolar puede considerarse como una fuente de corriente controlada por voltaje o una fuente de voltaje controlada por corriente. Además, mirando desde el lado izquierdo de la red de dos puertos, la impedancia de entrada en la base se reduce a la impedancia de la resistencia de la base, reduciendo los requisitos de capacidad de carga del circuito anterior. El transistor NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, que consta de dos capas de regiones dopadas de tipo N y una capa de semiconductor (base) dopado de tipo P entre ellas. La pequeña entrada de corriente a la base se amplificará, lo que dará como resultado una gran corriente colector-emisor. Cuando el voltaje de base de un transistor NPN es mayor que el voltaje del emisor y el voltaje del colector es mayor que el voltaje de base, el transistor se encuentra en un estado de amplificación directa. En este estado, hay corriente entre el colector y el emisor del transistor. La corriente amplificada es el resultado de electrones (portadores minoritarios en la región de la base) inyectados desde el emisor a la región de la base que se desplazan hacia el colector impulsado por el campo eléctrico. Debido a que la movilidad de los electrones es mayor que la movilidad de los huecos, la mayoría de los transistores bipolares que se utilizan hoy en día son del tipo NPN.
El símbolo eléctrico del transistor bipolar NPN es el que se muestra a la derecha, con la flecha entre la base y el emisor apuntando hacia el emisor. Otro tipo de transistor bipolar es el tipo PNP, que consta de dos capas de regiones dopadas de tipo P y una capa de semiconductor dopado de tipo N entre ellas. La pequeña corriente que fluye a través de la base puede amplificarse en el emisor. Es decir, cuando el voltaje de base del transistor PNP es menor que el del emisor, el voltaje del colector es menor que el de la base y el transistor está en la región de amplificación directa.
En el símbolo eléctrico de un transistor bipolar, la flecha entre la base y el emisor apunta en la dirección del flujo de corriente, que es la dirección opuesta al flujo de electrones. A diferencia del tipo NPN, la flecha de un transistor PNP apunta desde el emisor hasta la base. El transistor bipolar de heterounión es un transistor bipolar mejorado con la capacidad de funcionar a altas velocidades. Se descubrió que este tipo de transistor puede manejar señales de frecuencia ultraalta con frecuencias de hasta varios cientos de GHz, por lo que es adecuado para aplicaciones como amplificación de potencia de radiofrecuencia y excitación láser que tienen requisitos estrictos de velocidad de funcionamiento.
La heterounión es un tipo de unión PN en la que ambos extremos están hechos de diferentes materiales semiconductores. En este tipo de transistor bipolar, la unión del emisor generalmente adopta una estructura de heterounión, es decir, la región del emisor usa un material de banda prohibida ancha y la región de base usa un material de banda prohibida estrecha. Las heterouniones ordinarias utilizan arseniuro de galio (GaAs) como región base y una solución sólida de Al-Ga-As (AlxGa1-xAs) como región emisora. Con tales heterouniones, se puede mejorar la eficiencia de inyección de los transistores bipolares y se puede aumentar la ganancia de corriente en varios órdenes de magnitud.
La concentración de dopaje en la región de la base de un transistor bipolar con heterounión se puede aumentar considerablemente, lo que puede reducir la resistencia de la base y ayudar a reducir el ancho de la región de la base. En los transistores bipolares tradicionales, es decir, los transistores de homounión, la eficiencia de la inyección de portador desde el emisor a la base está determinada principalmente por la relación de dopaje entre el emisor y la base. En este caso, para obtener una alta eficiencia de inyección, la región de la base debe estar ligeramente dopada, lo que inevitablemente aumenta la resistencia de la base.
Como se muestra en el diagrama esquemático de la izquierda, representa la diferencia de potencial para los agujeros que cruzan desde la región base a la región del emisor y representa la diferencia de potencial para los electrones que cruzan desde la región del emisor a la base; región. Debido a que la unión del emisor tiene una estructura de heterounión, se puede utilizar para mejorar la eficiencia de inyección del emisor. En la región de la base, los componentes del material semiconductor están distribuidos de manera desigual, lo que hace que el ancho de la banda prohibida en la región de la base cambie lentamente y su gradiente se expresa como. Esta banda prohibida que cambia lentamente puede proporcionar un campo eléctrico interno para que los operadores minoritarios los aceleren a través de la región base. Este movimiento de deriva tendrá un efecto sinérgico con el movimiento de difusión, reduciendo el tiempo de tránsito de los electrones a través de la región base, mejorando así el rendimiento de alta frecuencia del transistor bipolar.
Si bien se pueden usar muchos semiconductores diferentes para construir transistores de heterounión, los transistores de heterounión de silicio, germanio y los transistores de heterounión de arseniuro de galio y aluminio se usan más comúnmente. El proceso para fabricar transistores de heterounión es la epitaxia cristalina, como la epitaxia metalorgánica en fase de vapor (MOCVD) y la epitaxia de haz molecular.