Un transistor de avalancha es un transistor de unión bipolar diseñado para operar en la región de sus características de voltaje de colector-corriente / colector a emisor más allá del voltaje de ruptura de colector a emisor , llamado región de ruptura de avalancha . Esta región se caracteriza por la ruptura por avalancha, que es un fenómeno similar a la descarga de Townsend para gases, y resistencia diferencial negativa . La operación en la región de ruptura por avalancha se llama la operación en modo avalancha : da avalancha transistores la capacidad de conmutar corrientes muy altas con menos de un nanosegundo subida ytiempos de caída ( tiempos de transición ). Los transistores no diseñados específicamente para este propósito pueden tener propiedades de avalancha razonablemente consistentes; por ejemplo, el 82% de las muestras del interruptor de alta velocidad de 15 V 2N2369, fabricado durante un período de 12 años, fueron capaces de generar pulsos de ruptura de avalancha con un tiempo de subida de 350 ps o menos, utilizando una fuente de alimentación de 90 V, como escribe Jim Williams . [1] [2]
Historia
El primer artículo sobre transistores de avalancha fue Ebers y Miller (1955) . El documento describe cómo usar transistores de unión de aleación en la región de ruptura de avalancha para superar las limitaciones de velocidad y voltaje de ruptura que afectaron a los primeros modelos de este tipo de transistor cuando se usaban en circuitos digitales de computadora anteriores . Por lo tanto, las primeras aplicaciones de los transistores de avalancha fueron en circuitos de conmutación y multivibradores . La introducción del transistor de avalancha sirvió también como una aplicación de la fórmula empírica de Miller para el coeficiente de multiplicación de avalancha, presentado por primera vez en el artículo Miller (1955) . La necesidad de comprender mejor el comportamiento de los transistores en la región de ruptura de avalanchas, no solo para su uso en modo de avalancha, dio lugar a una extensa investigación sobre la ionización por impacto en semiconductores (ver Kennedy y O'Brien (1966) ).
Desde principios de la década de 1960 hasta la primera mitad de la de 1970, se propusieron varios circuitos de transistores de avalancha. Se estudió el tipo de transistor de unión bipolar más adecuado para su uso en la región de ruptura de avalanchas. Una referencia completa, que incluye también las contribuciones de científicos de países de la ex URSS y COMECON , es el libro de Дьяконов (Dyakonov) (1973) .
La primera aplicación del transistor de avalancha como amplificador lineal , denominada Triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlado , (CATT) se describió en ( Eshbach, Se Puan & Tantraporn 1976 ). Un dispositivo similar, llamado IMPISTOR, fue descrito más o menos en el mismo período en el artículo de Carrol & Winstanley (1974) . Las aplicaciones lineales de esta clase de dispositivos comenzaron más tarde, ya que hay algunos requisitos que cumplir, como se describe a continuación. El uso de transistores de avalancha en esas aplicaciones no es común ya que los dispositivos requieren altos voltajes de colector a emisor para funcionar correctamente.
Hoy en día, todavía hay una investigación activa sobre dispositivos de avalancha ( transistores u otros) hechos de semiconductores compuestos , capaces de conmutar corrientes de varias decenas de amperios incluso más rápido que los transistores de avalancha "tradicionales".
Teoría básica
Características de la región de avalanchas estáticas
En esta sección, el Se calcula la característica estática de un transistor de avalancha. En aras de la simplicidad, solo se considera un dispositivo NPN: sin embargo, los mismos resultados son válidos para dispositivos PNP que solo cambian los signos a voltajes y corrientes en consecuencia. El análisis sigue de cerca al de William D. Roehr en ( Roehr 1963 ). Dado que la multiplicación de la ruptura por avalancha está presente solo a través de la unión colector-base, el primer paso del cálculo es determinar la corriente del colector como una suma de varias corrientes de componentes a través del colector, ya que solo esos flujos de carga están sujetos a este fenómeno. La ley de la corriente de Kirchhoff aplicada a un transistor de unión bipolar implica la siguiente relación, siempre satisfecha por la corriente del colector
mientras que para el mismo dispositivo que funciona en la región activa , la teoría básica del transistor da la siguiente relación
dónde
- es la corriente base,
- es la corriente de fuga inversa de la base del colector,
- es la corriente del emisor,
- es la ganancia de corriente del emisor común del transistor.
Igualando las dos fórmulas para da el siguiente resultado
y desde es la ganancia de corriente de base común del transistor, entonces
Cuando se consideran los efectos de avalancha en un colector de transistores, la corriente del colector es dado por
dónde es el coeficiente de multiplicación de avalanchas de Miller. Es el parámetro más importante en la operación en modo avalancha: su expresión es la siguiente
dónde
- es el voltaje de ruptura del colector-base,
- es una constante que depende del semiconductor utilizado para la construcción del transistor y del perfil de dopaje de la unión colector-base,
- es el voltaje de la base del colector.
Utilizando de nuevo la ley de la corriente de Kirchhoff para el transistor de unión bipolar y la expresión dada para, la expresión resultante para es el siguiente
y recordando eso y dónde es el voltaje base-emisor
desde : esta es la expresión de la familia paramétrica de las características del colector con parámetro . Tenga en cuenta que aumenta sin límite si
dónde es el voltaje de ruptura colector-emisor. Además, es posible expresar como una función de , y obtener una fórmula analítica para la resistencia diferencial colector-emisor por diferenciación simple : sin embargo, los detalles no se dan aquí.
Modelo dinámico diferencial
El modo dinámico diferencial descrito aquí, también llamado modelo de pequeña señal , es el único modelo intrínseco de pequeña señal del transistor de avalancha. Los elementos perdidos debido al paquete que encierra el transistor se descuidan deliberadamente, ya que su análisis no agregaría nada útil desde el punto de vista de los principios de funcionamiento del transistor de avalancha. Sin embargo, al realizar un circuito electrónico , esos parámetros son de gran importancia. En particular, las inductancias parásitas en serie con los cables del colector y del emisor deben minimizarse para preservar el rendimiento de alta velocidad de los circuitos de transistores de avalancha. Además, este circuito equivalente es útil a la hora de describir el comportamiento del transistor de avalancha cerca de su tiempo de activación, donde las corrientes y tensiones de colector aún están cerca de sus valores de reposo : en el circuito real permite el cálculo de constantes de tiempo y por tanto tiempos de subida y bajada. de Elforma de onda. Sin embargo, dado que los circuitos de conmutación de transistores de avalancha son circuitos de señales intrínsecamente grandes, la única forma de predecir con precisión razonable su comportamiento real es realizar simulaciones numéricas . Nuevamente, el análisis sigue de cerca al de William D. Roehr en ( Roehr 1963 ).
En la imagen adyacente se muestra un transistor de avalancha operado por una red de polarización común : puede ser un valor cero o positivo, mientras que puede sufrir un cortocircuito . En cada circuito de transistor de avalancha, la señal de salida se toma del colector o del emisor: por lo tanto, el modelo diferencial de pequeña señal de un transistor de avalancha que trabaja en la región de avalancha siempre se ve desde los pines de salida del colector-emisor, y consta de un paralelocircuito como se muestra en la imagen adyacente, que incluye solo componentes de polarización. La magnitud y el signo de ambos parámetros están controlados por la corriente base: dado que las uniones base-colector y base-emisor están polarizadas inversamente en el estado de reposo, el circuito equivalente de la entrada base es simplemente un generador de corriente derivado por capacitancias de unión base-emisor y base-colector y, por lo tanto, no se analiza a continuación . La constante de tiempo intrínseca del circuito de pequeña señal equivalente básico tiene el siguiente valor
dónde
- es la resistencia diferencial de avalancha colector-emisor y, como se indicó anteriormente, se puede obtener por diferenciación de la tensión colector-emisor respecto a la corriente del colector , para una corriente base constante
- es la capacitancia diferencial de avalancha colector-emisor y tiene la siguiente expresión
- dónde
- es la frecuencia de corte angular de ganancia actual
- es la capacitancia de salida de base común
Ambos parámetros son negativos. Esto significa que si la carga del colector consta de una fuente de corriente ideal , el circuito es inestable. Ésta es la justificación teórica del comportamiento multivibrador astable del circuito cuando el el voltaje se eleva por encima de un nivel crítico.
Segundo modo de avalancha de avería
Cuando la corriente del colector supera el límite de la hoja de datos un nuevo mecanismo de avería se vuelve importante: la segunda avería . Este fenómeno es causado por el calentamiento excesivo de algunos puntos (puntos calientes ) en la región base-emisor del transistor de unión bipolar , que dan lugar a una corriente que aumenta exponencialmente a través de estos puntos: este aumento exponencial de la corriente a su vez da lugar a aún más sobrecalentamiento, originando un mecanismo de retroalimentación térmica positiva . Mientras analiza elcaracterística estática, la presencia de este fenómeno se ve como una fuerte caída de voltaje del colector y un correspondiente aumento casi vertical de la corriente del colector. En la actualidad, no es posible producir un transistor sin puntos calientes y, por tanto, sin una segunda avería, ya que su presencia está relacionada con la tecnología de refinamiento del silicio . Durante este proceso, cantidades muy pequeñas pero finitas de metales permanecen en porciones localizadas de la oblea : estas partículas de metales se convierten en centros profundos de recombinación , es decir, centros donde la corriente existe de manera preferida. Si bien este fenómeno es destructivo para los transistores de unión bipolar que funcionan de la manera habitual, se puede usar para aumentar aún más los límites de corriente y voltaje de un dispositivo que funciona en modo de avalancha al limitar su duración de tiempo: también, la velocidad de conmutación del dispositivo no se ve afectado negativamente. En el artículo Baker (1991) se puede encontrar una descripción clara de los circuitos de transistores de avalancha que funcionan en un segundo régimen de ruptura junto con algunos ejemplos .
Simulaciones numéricas
Los circuitos de transistores de avalancha son circuitos de señales intrínsecamente grandes, por lo que los modelos de señales pequeñas , cuando se aplican a dichos circuitos, solo pueden dar una descripción cualitativa. Para obtener información más precisa sobre el comportamiento de los voltajes y corrientes dependientes del tiempo en tales circuitos, es necesario utilizar análisis numérico . El enfoque "clásico", detallado en el artículo Дьяконов (Dyakonov) (2004b) que se basa en el libro Дьяконов (Dyakonov) (1973)
, consiste en considerar los circuitos como un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias no lineales y resolverlo mediante un método numérico implementado por un software de simulación numérica de propósito general : los resultados obtenidos de esta manera son bastante precisos y sencillos de obtener. Sin embargo, estos métodos se basan en el uso de modelos de transistores analíticos más adecuados para el análisis de la región de ruptura: esos modelos no son necesariamente adecuados para describir el funcionamiento del dispositivo en todas las regiones posibles. Un enfoque más moderno es utilizar el simulador de circuito analógico común SPICE junto con un modelo de transistor avanzado que admita simulaciones de ruptura de avalanchas, lo que no hace el modelo básico de transistor SPICE . Ejemplos de tales modelos se describen en el artículo de Keshavarz, Raney y Campbell (1993) y en el artículo de Kloosterman y De Graaff (1989) : este último es una descripción del modelo de Mextram [1] , utilizado actualmente por algunas industrias de semiconductores para caracterizar sus transistores de unión bipolar .Un método gráfico
Un método gráfico para estudiar el comportamiento de un transistor de avalancha se propuso en las referencias Spirito (1968) y Spirito (1971) : el método se derivó primero para trazar el comportamiento estático del dispositivo y luego se aplicó también para resolver problemas relacionados con el comportamiento dinámico. El método tiene el espíritu de los métodos gráficos utilizados para diseñar circuitos de tubos y transistores directamente a partir de los diagramas característicos dados en las hojas de datos por los productores.
Aplicaciones
Los transistores de avalancha se utilizan principalmente como generadores de pulsos rápidos , con tiempos de subida y bajada de menos de un nanosegundo y alta tensión y corriente de salida . Ocasionalmente se utilizan como amplificadores en el rango de frecuencia de microondas , incluso si este uso no es generalizado: cuando se utilizan para este propósito, se denominan "Triodos de tiempo de tránsito de avalancha controlados" ( CATT ).
Circuitos de conmutación de modo de avalancha
El cambio de modo de avalancha se basa en la multiplicación de avalancha de la corriente que fluye a través de la unión colector-base como resultado de la ionización por impacto de los átomos en la red cristalina semiconductora. La ruptura por avalancha en semiconductores ha encontrado aplicación en circuitos de conmutación por dos razones básicas
- puede proporcionar velocidades de conmutación muy altas, ya que la corriente se acumula en tiempos muy pequeños, en el rango de picosegundos, debido a la multiplicación de avalanchas.
- Puede proporcionar corrientes de salida muy altas, ya que las corrientes grandes pueden ser controladas por corrientes muy pequeñas, nuevamente debido a la multiplicación de avalanchas.
Los dos circuitos considerados en esta sección son los ejemplos más simples de circuitos de transistores de avalancha para propósitos de conmutación: ambos ejemplos detallados son multivibradores monoestables . Hay varios circuitos más complejos en la literatura, por ejemplo en los libros Roehr (1963) y Дьяконов (Dyakonov) (1973)
.La mayoría de los circuitos que emplean un transistor de avalancha se activan mediante los siguientes dos tipos diferentes de entrada:
- Circuito de entrada de activación del colector: la señal de activación de entrada se alimenta al colector a través de un diodo de conmutación rápida , posiblemente después de haber sido moldeado por una red de modelado de pulsos . Esta forma de conducir un transistor de avalancha se empleó ampliamente en circuitos de primera generación, ya que el nodo colector tiene una alta impedancia y también capacitancia del colector.se comporta de forma bastante lineal en régimen de gran señal. Como consecuencia de esto, el tiempo de retardo desde la entrada hasta la salida es muy pequeño y aproximadamente independiente del valor de la tensión de control . Sin embargo, este circuito de disparo requiere un diodo capaz de resistir altos voltajes inversos y conmutar muy rápido, características que son muy difíciles de realizar en el mismo diodo , por lo que rara vez se ve en los circuitos modernos de transistores de avalancha.
- Circuito de entrada de activación de la base: la señal de activación de entrada se alimenta directamente a la base a través de un diodo de conmutación rápida , posiblemente después de haber sido moldeado por una red de modelado de pulsos. Esta forma de impulsar un transistor de avalancha se empleó relativamente menos en circuitos de primera generación porque el nodo base tiene una impedancia y una capacitancia de entrada relativamente bajas.que es altamente no lineal (de hecho, es exponencial) bajo el régimen de señal grande: esto causa un tiempo de retardo bastante grande, dependiente del voltaje de entrada, que fue analizado en detalle en el artículo Spirito (1974) . Sin embargo, el voltaje inverso requerido para el diodo de alimentación es mucho menos respetuoso con los diodos que se usarán en los circuitos de entrada del disparador del colector, y dado que los diodos Schottky ultrarrápidos se encuentran de manera fácil y económica, este es el circuito controlador empleado en la mayoría de los circuitos de transistor de avalancha modernos. Esta es también la razón por la que el diodo en los siguientes circuitos aplicativos se simboliza como un diodo Schottky.
El transistor de avalancha también se puede activar reduciendo el voltaje del emisor , pero esta configuración rara vez se ve en la literatura y en circuitos prácticos .: en la referencia Meiling & Stary (1968) , párrafo 3.2.4 "Circuitos de disparo" se describe una de esas configuraciones, donde el transistor de avalancha se usa como parte de el circuito de disparo de un emisor de impulsos complejo, mientras que en la referencia Дьяконов (Dyakonov) (1973 , págs.185) Se describe brevemente un discriminador de nivel equilibrado en el que un transistor de unión bipolar común está acoplado por emisor a un transistor de avalancha.
Los dos pulsadores de avalancha que se describen a continuación se activan por la base y tienen dos salidas. Dado que el dispositivo utilizado es un transistor NPN, es una salida positiva mientras que es una salida negativa: el uso de un transistor PNP invierte las polaridades de las salidas. La descripción de sus versiones simplificadas, donde resistor o se establece en cero ohmios (obviamente no ambos) para tener una sola salida, se puede encontrar en la referencia Millman & Taub (1965) . Resistor recarga el condensador o la línea de transmisión (es decir, los componentes de almacenamiento de energía) después de la conmutación. Suele tener una alta resistencia para limitar la corriente estática del colector, por lo que el proceso de recarga es lento. A veces, esta resistencia se reemplaza por un circuito electrónico que es capaz de cargar más rápido los componentes de almacenamiento de energía. Sin embargo, este tipo de circuito generalmente está patentado, por lo que rara vez se encuentran en los circuitos de aplicaciones convencionales.
- Pulsador de avalancha de descarga de condensador: una señal de disparo aplicada al cable base del transistor de avalancha causa la ruptura de avalancha entre el colector y el cable emisor. El condensador comienza a ser descargado por una corriente que fluye a través de las resistencias y : los voltajes a través de esas resistencias son los voltajes de salida. La forma de onda de la corriente no es una corriente de descarga RC simple sino que tiene un comportamiento complejo que depende del mecanismo de avalancha: sin embargo, tiene un tiempo de subida muy rápido, del orden de fracciones de nanosegundo. La corriente máxima depende del tamaño del condensador: cuando su valor se eleva por encima de unos cientos de picofaradios, el transistor entra en modo de segunda avalancha de ruptura y las corrientes de pico alcanzan valores de varios amperios.
- Pulsador de avalancha de línea de transmisión: una señal de disparo aplicada al cable base del transistor de avalancha causa la ruptura de avalancha entre el colector y el cable emisor. El rápido tiempo de subida de la corriente del colector genera un pulso de corriente de aproximadamente la misma amplitud, que se propaga a lo largo de la línea de transmisión. El pulso llega al final de circuito abierto de la línea después del tiempo de retardo característicode la línea ha transcurrido y luego se refleja hacia atrás. Si la impedancia característica de la línea de transmisión es igual a las resistencias y , el pulso reflejado hacia atrás alcanza el comienzo de la línea y se detiene. Como consecuencia de este comportamiento de onda viajera, la corriente que fluye a través del transistor de avalancha tiene una forma rectangular de duración.
En diseños prácticos, una impedancia ajustable como una red Zobel de dos terminales (o simplemente un condensador de ajuste ) se coloca desde el colector del transistor de avalancha a tierra, lo que le da al generador de pulsos de la línea de transmisión la capacidad de reducir el timbre y otros comportamientos no deseados en los voltajes de salida. .
Es posible convertir esos circuitos en multivibradores astables quitando sus circuitos de entrada de disparo y
- aumentando su voltaje de suministro de energía hasta que comience una oscilación de relajación , o
- conectando la resistencia base a un voltaje de polarización de base positivo y por lo tanto iniciar a la fuerza la ruptura de la avalancha y la oscilación de relajación asociada .
Un ejemplo bien detallado del primer procedimiento se describe en la referencia Holme (2006) . También es posible realizar multivibradores biestables en modo avalancha , pero su uso no es tan común como otros tipos descritos de multivibradores , una razón importante es que requieren dos transistores de avalancha, uno trabajando continuamente en régimen de ruptura de avalancha, y esto puede dar serios problemas. desde el punto de vista de la disipación de energía y la vida útil del dispositivo.
Una aplicación práctica, fácil de realizar y económica es la generación de pulsos de rápido aumento para comprobar el tiempo de subida del equipo. [1] [3]
El triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlada (CATT)
La amplificación del modo de avalancha se basa en la multiplicación de avalancha como cambio de modo de avalancha. Sin embargo, para este modo de operación, es necesario que el coeficiente de multiplicación de avalancha de Millermantenerse casi constante para grandes oscilaciones de voltaje de salida: si no se cumple esta condición, surge una distorsión de amplitud significativa en la señal de salida. Como consecuencia,
- Los transistores de avalancha utilizados para aplicaciones en circuitos de conmutación no se pueden utilizar ya que el coeficiente de Miller varía ampliamente con el voltaje del colector al emisor.
- el punto de funcionamiento del dispositivo no puede estar en la resistencia negativa de la región de ruptura de avalancha por la misma razón
Estos dos requisitos implican que un dispositivo utilizado para la amplificación necesita una estructura física diferente a la de un transistor de avalancha típico. El triodo de tiempo de tránsito de avalancha controlado (CATT), diseñado para amplificación de microondas , tiene una región bastante grande ligeramente dopada entre la base y las regiones del colector, lo que le da al dispositivo un voltaje de ruptura colector-emisor.bastante alto en comparación con los transistores bipolares de la misma geometría. El mecanismo de amplificación actual es el mismo que el del transistor de avalancha, es decir, la generación de portadores por ionización de impacto , pero también hay un efecto de tiempo de tránsito como en los diodos IMPATT y TRAPATT , donde una región de campo alto viaja a lo largo de la unión de avalancha , precisamente a lo largo de la región intrínseca. La estructura del dispositivo y la elección del punto de sesgo implican que
- El coeficiente de multiplicación de avalancha de Miller M está limitado a aproximadamente 10.
- El efecto del tiempo de tránsito mantiene este coeficiente casi constante e independiente del voltaje del colector al emisor.
La teoría de este tipo de transistor de avalancha se describe completamente en el artículo Eshbach, Se Puan & Tantraporn (1976) , que también muestra que esta estructura de dispositivo semiconductor es muy adecuada para la amplificación de potencia de microondas . Puede entregar varios vatios de potencia de radiofrecuencia a una frecuencia de varios gigahercios y también tiene un terminal de control, la base . Sin embargo, no se usa ampliamente ya que requiere voltajes superiores a 200 voltios para funcionar correctamente, mientras que los FET de arseniuro de galio u otros semiconductores compuestos ofrecen un rendimiento similar y son más fáciles de trabajar. Una estructura de dispositivo similar, propuesta más o menos en el mismo período en el artículo de Carrol & Winstanley (1974) , fue el IMPISTOR, que es un transistor con unión colector-base IMPATT .
Ver también
- Diodo de avalancha
Notas
- ^ a b "Linear Technology AN47" Archivado el 20 de marzo de 2012 en Wayback Machine , Técnicas de amplificación de alta velocidad, 1991, Apéndice D: Medición de la respuesta sonda-osciloscopio.
- ^ "Tecnología lineal AN94" , Verificación de velocidad de respuesta para amplificadores de banda ancha La domesticación de la respuesta "
- ^ IceNINE Tech: Homebrew Really Fast Pulse Generator
Referencias
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Bibliografía
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enlaces externos
Teoría
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- Spirito, Paolo; Vitale, GF (1972), "Un análisis del comportamiento dinámico de los circuitos de conmutación utilizando transistores de avalancha", IEEE Journal of Solid-State Circuits , 7 (4): 315–320, Bibcode : 1972IJSSC ... 7..315S , doi : 10.1109 / jssc.1972.1050310. Un artículo donde se deriva un modelo analítico del comportamiento de un transistor de avalancha después de aproximaciones adecuadas (acceso restringido).
Aplicaciones
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Varia
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- Владимир Павлович Дьяконов (Vladimir Pavlovich D'yakonov) (en ruso ). Algunas notas biográficas sobre uno de los principales contribuyentes a la teoría y aplicación de los transistores de avalancha.
- Página web académica Ari Kilpelä en la Universidad de Oulu . Investigador que trabaja en teoría y aplicaciones de circuitos de transistores de avalancha.