Un transistor de avalancha es un transistor de unión bipolar diseñado para la operación en su rango característico de colector de corriente/voltaje en colector-emisor , más allá de su voltaje de ruptura llamado región de quiebre de avalancha Esta región caracterizada por el quiebre de avalancha, el cual es un fenómeno similar a la descarga de Townsend para los gases y resistencia diferencial negativa . La operación en la región de quiebre de avalancha es llamada operación en modo avalancha , esto da a los transistores de avalancha la capacidad de cambiar corrientes muy altas en menos de un nanosegundo de tiempo de subida y de tiempo de bajada. Los transistores no diseñados específicamente para tal propósito, pueden tener propiedades razonables de avalancha; por ejemplo el 82% de las muestras de cambio de alta velocidad de 15V del 2N2369 , fabricado en un periodo de 12 años , son capaces de generar pulsos de quiebre de avalancha con un tiempo de subida de 350 ps o menos, usando una fuente voltaje de 90 V como el diseñador Jim Williams indica."Linear Technology AN47", High-speed amplifier techniques, 1991, Appendix D: Measuring probe-oscilloscope response."Linear Technology AN94", Slew Rate Verification for Wideband Amplifiers The Taming of the Slew"

Historia El primer trabajo que trata sobre los transistores de avalancha, fue : La publicación indica como usar un transistor de aleación en la región de quiebre de avalancha , para evadir los límites en la velocidad y voltaje de quiebre que afectaron a los primeros modelos de tales tipos de transistor cuando eran usados en circuitos digitales o computadoras tempranas. Por lo tanto la primera aplicación de los transistores de avalancha fue en circuitos de switcheo y multivibradores. La introducción de los transistores de avalancha también sirvió como aplicación empírica de la fórmula de Miller para la multiplicación del coeficiente de avalancha , el cual fue introducido en el trabajo de : la necesidad de un mejor entendimiento en la conducta del transistor en la regio de quiebre de avalancha no solo para su uso en el modo avalancha, dio lugar a una amplia investigación en la ionización de impacto en semiconductores (ver ). Desde inicios de 1960, hasta la primera mitad de 1970 , se tuvo una gran cantidad de propuestas de circuitos de transistor de avalancha , así mismo fue estudiado que tipo de transistor de unión bipolar sería mejor para su uso en la región de quiebre de avalancha: una referencia completa, la cual incluye las contribuciones de científicos de la ex Unión Soviética y países de la COMECON es el libro de . La primera aplicación del transistor de avalancha como un amplificador lineal , llamado “Triodo de tiempo de transición de avalancha controlado” , (CATT por sus siglas en inglés) fue descrito en : Un dispositivo similar llamado “IMPISTOR” fue descrito aproximadamente en el mismo periodo en el trabajo de . Las aplicaciones lineales de este tipo de dispositivos empezaron más tarde, debido a la existencia de ciertos requerimientos, como se describe abajo: también, el uso de transistores de avalancha en esas aplicaciones no es común, debido q que requieren voltajes altos de colector-emisor para funcionar apropiadamente. Hoy en día, aún hay investigación sobre dispositivos de avalancha ( transistores u otros ) hechos de materiales de semiconductores , que sean capaces de cambiar corriente eléctrica de varios amperes y que sean aún más rápidos que los transistores de avalancha “tradicionales".

Características de la región de avalancha estática En esta sección la de característica estática de un transistor de avalancha es calculada. Para simplificar, solo un dispositivo NPN es considerado, sin embargo, los mismos resultados son válidos para un los dispositivos PNP, solo cambiando los signos de los voltajes y corrientes necesarios. El análisis sigue firmemente el de William D. Roehr en .

Dado que la multiplicación de quiebre de avalancha está presente solo a través de la base de unión bipolar, el primer paso del cálculo reside en determinar la corriente colector como la suma de varias corrientes a través del colector, dado que solo esos flujos de carga son presentes en este fenómeno. Las Leyes de Kirchhoff aplicadas a un transistor de unión bipolar implica la siguiente relación, siempre satisfaciendo la corriente de colector

donde es la corriente de base es la corriente de escape invertida de colector-base, es la corriente de emisor es la ganancia de corriente de emisor común

Igualando las dos fórmulas a se tiene el siguiente resultado

y dado que es la ganancia de corriente de base común del transistor, se tiene que

Cuando se consideran los efectos de avalancha en el colector del transistor, su corriente

está dada por

donde es el coeficiente de multiplicación de avalancha de Miller. El cual es el parámetro más importante en el modo de operación de avalancha: su expresión es la siguiente

donde es el voltaje de quiebre, es una constante dependiente del semiconductor usado para la construcción del transistor y de la unión base-colector. es el voltaje colector-base

Usando otra vez la ley de corriente de Kirchhoff para el transistor de unión bipolar y la expresión dada para , el resultado de la expresión para es la siguiente

y recordando que y donde es el voltaje base-emisor.

dado : esta es la expresión para la familia paramétrica de las características del colector con el parámetro . Notar que incrementa sin límite si

donde es el voltaje de quiebre colector-emisor. También, es posible expresar como función de , y obtener una fórmula analítica para la resistencia diferencial de colector-emisor por Derivada: sin embargo, el cálculo no es mostrado aquí.

Modelo diferencial dinámico El modo diferencial dinámico descrito aquí, también llamado el modelo de señal pequeña, es el único modelo intrínseco de señal pequeña para el transistor de avalancha. Elementos desviados debido al empaquetado del transistor son deliberadamente negados , debido a que su análisis no añadiría nada de importancia desde el punto de vista del trabajo interno del transistor de avalancha. Sin embargo, cuando sea realiza un circuito electrónico, tales parámetros son de gran importancia. Particularmente, las inductancias desviadas en series con las cabeceras del colecto y emisor tienen que ser minimizadas para preservar el desempeño de circuitos de transistores de avalancha a altas velocidades. Así mismo, este circuito equivalente es útil cuando se debe describir el comportamiento del transistor de avalancha cerca de su tiempo de encendido, donde las corrientes y voltajes de colector están aún cerca de su corriente de polarización: en circuitos reales, se permite el cálculo de la constante de tiempo y por lo tanto los tiempos de subida y bajada

de la señal. Sin embargo, dado que los circuitos de switcheo de transistores de avalancha son intrínsecamente circuitos de señal grande, el único modo de predecir con exactitud razonable la precisión de comportamiento real es hacer una simulación numérica. Nuevamente, se sigue el análisis de William D. Roehr en .

Un transistor de avalancha operado por una corriente de polarización es mostrado en la imagen de la derecha: puede ser cero o de valor positivo , mientras que puede ser puesta en corto circuito. En cada circuito de transistor de avalancha, la señal de salida es tomada del colector o emisor: por lo tanto el modelo de señal pequeña de un transistor de avalancha trabajando en la región de avalancha es siempre visto desde los pines de salida de colector-emisor y consiste de un circuito paralelo como el que se muestra en la figura de la derecha, el cual solo incluye componentes de polarización. La magnitud y el signo de tales parámetros es controlada por la corriente de base : dado que ambas uniones base-colector y base-emisor son polarizadas en inverso , el circuito equivalente de la entrada de base es simplemente un generador de corriente cambiado de vía por las capacidades de las uniones base-emisor y base-colector , y es por lo tanto no es analizado en lo siguiente.

La constante de tiempo intrínseca del modelo básico de señal pequeña tiene el siguiente valor:

donde es la resistencia diferencial de avalancha de colector-emisor y como se presentó arriba, puede ser otenida por Diferenciación del voltaje de colector-emisor respecto a la corriente de colector , para una corriente de base constante

es la capacidad diferencial de avalancha de colector-emisor y tiene la siguiente expresión

donde es la ganancia de corriente angular frecuencia de corte es la capacidad de base común. Los dos parámetros de arriba son negativos. Esto significa que si la carga de colector consta de una fuente de corriente ideal, el circuito es inestable. Esta es la justificación teórica de un Multivibrador astable en el circuito cuando el voltaje es subido por encima de un nivel crítico.

Segundo quiebre y modo avalancha Cuando la corriente colector sube por arriba de cierto límite en la datasheet un nuevo mecanismo de quiebre se vuelve importante: el segundo quiebre. Este fenómeno es causado por calentamiento excesivo de algunos puntos en la región de base-emisor del transistor de unión bipolar, lo cual da lugar un incremento exponencial de la corriente eléctrica a través de tales puntos: tal aumento exponencial de la corriente a su vez da lugar a aún más calentamiento, originando un mecanismo de Retroalimentación positiva. Mientras se analiza la característica estática , la presencia de éste fenómeno es vista como una caída aguda del voltaje de colector y un surgimiento casi vertical de la corriente de colector. Hoy en día, no es posible crear un transistor sin lugares calientes y por lo tanto sin segundo quiebre, dado que su presencia esta fuertemente ligada a la tecnología de refinación del silicón. Durante este proceso, cantidades muy pequeñas pero finitas de metal quedan localizadas en porciones de la oblea : estas partículas de metales se convierten en centros profundos de recombinación , es decir centros donde la corriente eléctrica existe en una manera preferida. Si bien este proceso es destructivo para los transistores de unión bipolar que trabajan en el modo usual, puede ser usado para aumentar los límites de corriente y voltaje de un dispositivo trabajando en modo avalancha si se limita su duración: así mismo, las velocidades de cambio del dispositivo no resultan negativamente afectadas. Una descripción clara de los circuitos de transistores de avalancha trabajando en el segundo quiebre van de la mano con algunos ejemplos expuestos en .

Simulaciones numéricas