Nasycone tranzystory BJT.

11

Używamy ich codziennie, a znawcy w pełni rozumieją charakterystykę funkcjonalną tranzystorów BJT. Istnieje mnóstwo dokumentów i linków objaśniających matematykę operacyjną. Istnieje nawet mnóstwo fajnych filmów, które wyjaśniają aktualne teorie dotyczące ich fizycznego działania. (Większość z tych ostatnich pochodzi od osób, które z jakiegoś powodu mówią po angielsku „Tele-marketer”).

Muszę jednak przyznać, że nawet po ponad 40 latach wiele z nich muszę zaakceptować według wartości nominalnej, ponieważ opisy, w jaki sposób złącze kolektora pasuje do równania, są zawsze nieco ręcznie.

W każdym razie poza tym jest jeden aspekt, którego tak naprawdę nie rozumiem. Wydaje się, że jest to sprzeczne z prawami fizyki, Prawa Kirchhoffa i in.

Mówię o twoim standardowym nasyconym obwodzie wspólnego emitera.

Wiadomo i akceptujemy, że po nasyceniu napięcie kolektora będzie niższe niż napięcie podstawowe. Oczywiście używamy tego na naszą korzyść w obwodach i wybraliśmy części, aby dać nam możliwie najniższą wartość Vce-Sat dla określonego prądu obciążenia.

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Wszystko dobrze i elegancko, dopóki nie spojrzysz na kwintesencję typowego tranzystora NPN ...

Jak, u licha, kolektor może mieć niższe napięcie niż podstawa w tej kanapce?

Nawet jeśli dodasz jakieś napięcie typu EMF, aby to uwzględnić, prąd kolektora przepływałby w niewłaściwy sposób przez złącze podstawa-kolektor.

transistors bjt physics Trevor_G
źródło

Czy pomaga myśleć o elektronach jako o pędzie budującym, gdy przyspieszają przez Vbe, co przenosi je całkowicie przez (bardzo wąski) obszar podstawy do kolektora? (jak jazda na rowerze z góry i na następne (mniejsze) wzgórze, brak prawego skrętu na wąskim torze na dole?

Brian Drummond,

Wygląda na to, że będziesz musiał zejść kilka poziomów abstrakcji ...

Eugene Sh.

@BrianDrummond ya, to klasyczne faliste odpowiedzi, o których mówiłem, że omijają podstawowe prawa EE. Że jakoś się wyskakują bez i omowy efekt ..

Trevor_G

1

Tak. Masz podstawowy prąd emitera. Masz podstawowy prąd kolektora. I masz prąd emitera kolektora. Podstawowy prąd kolektora jest niski, aż do nasycenia. Przyczyną wzrostu prądu podstawowego (przy utrzymywaniu stałej Ic) w nasyceniu jest to, że część prądu przyjmuje skrót do bazy, przechodząc zamiast tego do kolektora.

mkeith

1

Interesujące może być umieszczenie rezystora o niskiej wartości między kolektorem a ziemią i zmierzenie ilości prądu przepływającego do ziemi przez kolektor w stosunku do oczekiwanej ścieżki (przez uziemiony emiter).

Spehro Pefhany

6

W tranzystorze bipolarnym emiter ma znacznie wyższe domieszkowanie niż baza. Kiedy zastosujesz uprzedzenie do diody emitera bazy, prąd będzie płynął, a ze względu na wyższe domieszkowanie w emiterze, o wiele więcej elektronów przepłynie z emitera do bazy, niż dziury przepłyną z bazy do emitera.

Prąd w półprzewodniku może przepływać przez dwa główne mechanizmy: Istnieje prąd „dryfujący”, w którym pole elektryczne przyspiesza elektrony w określonym kierunku. Jest to prosty sposób przepływu prądu, do którego wszyscy jesteśmy przyzwyczajeni. Istnieje również prąd „dyfuzyjny”, w którym elektrony przemieszczają się z obszarów o wyższym stężeniu elektronów do obszarów o niższym stężeniu, podobnie jak woda nasiąkająca gąbką. Jednak te rozpraszające elektrony nie mogą się poruszać wiecznie, ponieważ w pewnym momencie uderzą w dziurę i ponownie się połączą. Oznacza to, że dyfuzyjne (wolne) elektrony w półprzewodniku mają okres półtrwania i tzw. Długość dyfuzji, która jest średnią odległością, jaką przebywają przed rekombinacją z dziurą.

Dyfuzja to mechanizm, za pomocą którego złącze diody tworzy swój region zubożenia.

Teraz, jeśli dioda emitera bazy jest skierowana do przodu, obszar zubożenia diody emitera bazy staje się mniejszy i elektrony zaczynają dyfundować z tego złącza do podstawy. Ponieważ jednak tranzystor jest zbudowany w taki sposób, że długość dyfuzji tych elektronów jest dłuższa niż baza jest szeroka, wiele z tych elektronów jest w stanie dyfundować bezpośrednio przez bazę bez rekombinacji i wychodzić z kolektora, skutecznie „tunelując” przez bazę, nie wchodząc w interakcje z otworami. (Rekombinacja jest procesem losowym i nie zachodzi natychmiast, dlatego właśnie dyfuzja istnieje.)

Tak więc ostatecznie niektóre elektrony trafiają do kolektora w wyniku przypadkowego ruchu. Teraz, gdy już tam są, elektrony mogą wrócić do bazy tylko wtedy, gdy pokonają napięcie polaryzacji przedniej diody kolektorowej podstawy, powodując ich „gromadzenie się” w kolektorze, zmniejszając tam napięcie, dopóki nie będą w stanie pokonać złącze kolektor-podstawa i przepływ powrotny. (W rzeczywistości proces ten jest oczywiście równowagą.)

Dzięki napięciom, które przykładasz do podstawy, emitera i kolektora, tworzysz tylko pola elektryczne w półprzewodniku, które powodują dryf elektronów w kierunku obszaru wyczerpania, zmieniając stężenie elektronów w krysztale, co następnie powoduje przepływ prądu dyfuzyjnego przez baza. Podczas gdy pojedyncze elektrony są pod wpływem pól elektrycznych wytwarzanych przez napięcia na zaciskach tranzystora, same nie mają napięcia, a jedynie poziomy energii. W części kryształu, która jest generalnie pod tym samym napięciem, elektrony mogą (i będą) mieć inną energię. W rzeczywistości żadne dwa elektrony nie mogą mieć tego samego poziomu energii.

Wyjaśnia to również, dlaczego tranzystory mogą działać odwrotnie, ale przy znacznie mniejszym zysku prądu: elektronom trudniej jest dyfundować do silnie domieszkowanego obszaru emitera niż do lekko domieszkowanego kolektora, ponieważ stężenie elektronów jest tam już dość wysokie. To sprawia, że ta ścieżka jest mniej korzystna dla elektronów niż w tranzystorze nieodwróconym, więc więcej elektronów wypływa prosto z podstawy, a wzmocnienie jest niższe.

Jonathan S.
źródło

1

Jonathon, to wszystko bardzo dobrze i klasycznie, ale to nie wyjaśnia, jak możesz mieć warstwę pośrodku, która ma wyższe napięcie niż ta powyżej.

Trevor_G

@ Trevor_G W półprzewodniku nie ma tak naprawdę „napięć”. Istnieją pola elektryczne, ale pojedyncze elektrony mogą mieć wiele różnych poziomów energii, nawet jeśli znajdują się w tym samym obszarze kryształu. Gdyby tak nie było, nie byłoby przerw w paśmie, a zatem nie byłoby półprzewodników. Elektron nie ma nawet napięcia.

Jonathan S.

@JathanathanS .: Zobacz moją odpowiedź. Zrozumienie szczegółów, o których mówi Trevor, wymaga zrozumienia, że pola / napięcia związane z bazą nie są stałe na całej jej powierzchni, szczególnie podczas nasycenia.

Dave Tweed

Przeczytałem to wszystko wcześniej, wciąż nie wyjaśnia, w jaki sposób napięcie może być niższe na kolektorze, a jedynie jak elektrony przedostają się przez regiony zubożenia. Chociaż przez krótki czas unikałeś tunelowania.

Trevor_G

@ Trevor_G Baza jest domieszkowana dodatnio, kolektor lekko ujemny. Ponieważ podstawa jest niewielka w porównaniu z długością dyfuzji elektronów, możemy założyć taką samą ilość elektronów na obszar „ląduje” w podstawie i kolektorze po rozproszeniu. Ponieważ kolektor jest już domieszkowany ujemnie, będzie miał większe stężenie elektronów niż podstawa, powodując, że będzie miał niższe napięcie.

Jonathan S.

5

Jak, u licha, kolektor może mieć niższe napięcie niż podstawa w tej kanapce?

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

Dlatego twoim prawdziwym pytaniem jest prawdopodobnie: biorąc pod uwagę przyłożone napięcia, dlaczego prawo fizyki pozwala na przepływ prądu kolektora do kolektora?

- V_{B E} - V_{C B} + V_{C E} = 0

$-V_\mathrm{BE}-V_\mathrm{CB}+V_\mathrm{CE}=0$

I_{C} + I_{B} + I_{E} = 0,

$I_\mathrm{C}+I_\mathrm{B}+I_\mathrm{E}=0,$

V_{B E} I_{B} + V_{C E} I_{C} > 0.

$V_\mathrm{BE}I_\mathrm{B}+V_\mathrm{CE}I_\mathrm{C}>0.$

Są to jedyne ograniczenia, jakie fizyka nakłada na napięcia i prądy końcowe w przypadku statycznym. Jak widać, wszystkie powyższe warunki dotyczą nasyconego BJT.

Twoje zamieszanie prawdopodobnie wynika z domyślnego założenia urządzenia liniowego , którym nie jest BJT.

Massimo Ortolano
źródło

Dziękujemy za skopiowanie Twojej odpowiedzi. Usunąłem duplikat, zanim Twoja odpowiedź okazała się przepraszająca.

Trevor_G

3

Wydaje się, że źródłem zamieszania jest założenie, że prąd może być tylko prądem dryfującym. Prąd dyfuzyjny nie musi podążać za polem elektrycznym, w rzeczywistości może płynąć pomimo przeciwnego pola elektrycznego, które sprawia, że tranzystory są zdolne do ... tranzystorowego działania.

Sredni Vashtar

1

@ Trevor_G Na podstawie twoich komentarzy podejrzewam, że uważasz, że transport elektronów jest napędzany tylko polem elektrycznym, to znaczy gradientem potencjału elektrycznego. W rzeczywistości tym, co napędza transport elektronów, jest potencjał elektrochemiczny , który uwzględnia niejednorodność układu, ze względu na różne stężenia nośników na skrzyżowaniach. Ta niejednorodność generuje prąd dyfuzyjny.

Massimo Ortolano

2

@ Trevor_G, jak powiedział Massimo, to gradient stężenia powoduje powstanie prądu dyfuzyjnego. W podobny sposób gaz może rozszerzać się w górę pomimo grawitacji. Elektrony w półprzewodniku są bardziej jak gaz (można je przesuwać za pomocą pompy, ale mogą one również poruszać się z powodu gradientu stężenia), podczas gdy w przewodniku są bardziej jak ciecz (ponieważ nie są ściśliwe, potrzebujesz pompy, aby zrobić porusza się). Wydaje mi się, że pytasz: jak mogę przesunąć ten gaz bez popychania pompy w tym kierunku?

Sredni Vashtar

1

Ponadto, jeśli w jakiś sposób zdołasz usunąć ten składnik prądu dyfuzyjnego, na przykład umieszczając warstwę przewodnika na środku podstawy, natychmiast „skondensujesz” ten gaz w cieczy, który po usunięciu z podstawy zabije działanie tranzystora. Skończysz z dwiema diodami jedna za drugą, w takim przypadku twój sprzeciw wobec potencjałów byłby ważny. Problem polega na tym, że nie można osiągnąć takich samych wartości prądu i potencjałów, jakie masz w tranzystorze.

Sredni Vashtar

3

Należy pamiętać, że baza nie ma tego samego napięcia na całym obszarze. Istnieje nieredukowalny opór „arkusza” związany z podstawą, której połączenie zewnętrzne musi w pewnym sensie znajdować się na krawędzi konstrukcji. Ponieważ w tym „arkuszu” występuje rozkład prądu, istnieje również rozkład napięcia.

Tak więc w nasyceniu prąd, który wpływa do terminala podstawowego, przechodzi przez oba skierowane do przodu złącza diodowe (BE i BC), w pobliżu terminalu podstawowego. Prąd, który trafił do kolektora, przepływa następnie do emitera przez inną część podstawy, która jest dalej od terminala bazowego.

Zasadniczo spadek napięcia na wrodzonej rezystancji podstawy jest tym, co pozwala na rozkład napięcia, który widzimy na zaciskach zewnętrznych.

Dave Tweed
źródło

Tak, myślałem, że to może być coś takiego, ale potem zdałem sobie sprawę, że gdyby tak było, dalsze punkty nie byłyby stronnicze i nie prowadziłyby, więc pomysł jakby się rozpada.

Trevor_G

Nie, to się nie rozpada. Nie ma powodu, dla którego niektóre regiony nie mogą być stronnicze, a inne nie. Przestań myśleć o skupionych elementach obwodu - pola zmieniają się w sposób ciągły w tranzystorze, szczególnie podczas nasycenia. Części, które nie są stronnicze, działają w „klasyczny” sposób, jak opisał Jonathan S.

Dave Tweed

0

BJT to obecne urządzenia. W obszarze aktywnym wiele elektronów emitera (emitery są silnie domieszkowane i bardziej ujemne niż baza) elektrony trafiają do bazy (lekko domieszkowane), a niektóre wpadają do mniejszej liczby otworów podstawy, ale większość rozprasza się w kolektorze, powodując Ic . Po nasyceniu kolektor jest również bardziej ujemny niż zasada, więc wnosi pewne elektrony do podstawy. Ponieważ kolektor dostarcza więcej elektronów do podstawy (Vbc jest bardziej dodatni), wynika z tego, że prąd kolektor-emiter będzie niższy. Gdy Vbc maleje (Vce (sat) jest wyższy), prąd nasycenia może być wyższy. Zatem po nasyceniu napięcie kolektora rośnie wraz z prądem kolektora.

Możesz uruchomić tranzystor z odwróconym kolektorem i emiterem. Ponieważ kolektor jest lekko domieszkowany w porównaniu z emiterem, wzmocnienie jest kiepskie, ale Vce (sat) spadnie w zakresie pojedynczego mV. W erze przed FET stosowaliśmy to podejście do uziemiania analogowych wejść w próbkach i blokadach itp.

John Birckhead
źródło

0

To różni przewoźnicy i różne tryby ruchu. Mówiąc o NPN.

Wraz ze wzrostem napięcia podstawowego Otwory zaczynają poruszać się przez barierę potencjalną złącza BE i odzyskuje się o wiele więcej elektronów. Elektrony poruszają się w poprzek podstawy przez dyfuzję, ruch od wysokiego do niskiego stężenia, nie są napędzane przez napięcie.

W końcu na wiązce BC powstaje wiązka wolnych elektronów, które tworzą ujemnie naładowany obszar i są porywane przez każde dodatnie napięcie na kolektorze.

RoyC
źródło

1

Naprawdę ciekawe pytanie, czy zamierzasz zrobić z tego serię :).

RoyC,

Dzięki za opis i komplement pytania. Część „są pochłonięci przez jakiekolwiek dodatnie napięcie na kolektorze” jest jedną z tych ... nie myśl o tym jednak zbyt wiele części. Będąc diodą tendencyjnie odwróconą, gromadzące się elektrony po stronie podstawy powinny wyłączyć ten tryb diody, a nie go włączyć. Aby go włączyć, potrzebujemy dziur, które się tam gromadzą ... nie elektronów, lub elektronów, które gromadzą się po stronie kolektora złącza. Coś się nie sumuje.

Trevor_G

Nie, to nie jest dioda, gdyby była to dioda, w której gromadziłyby się dziury, nie elektrony, dlatego posiadanie dwóch diod w szeregu nie tworzy tranzystora.

RoyC

:) Tak, rozumiem to, ale nadal istnieje, zgodnie z klasyczną teorią, bariera połączenia między bazą a kolektorem. To, co odróżnia go od diod tylnych, to tylko jedna, bardzo cienka, centralna anoda lub katoda. Jest to rzeczywiście interesujące, nie tak jasne jak prosty model, który akceptujemy.

Trevor_G

Chodzi o to, że nie można utworzyć regionu zubożenia diody na złączu CB w obecności mas elektronów. W normalnej diodzie miałbyś tylko otwory po stronie P złącza, które byłyby odciągane od pola przez pole. Elektrony są przeciągane przez złącze, co daje prąd kolektora.

RoyC,

0

POTENCJAŁY NIEKORYGUJĄCE. To podstęp.

Wszystkim brakuje prostego, bardzo podstawowego faktu. (Większość podręczników dla początkujących też tego brakuje. Nawet niektórzy profesorowie inżynierii wydają się nieświadomi.) Fakt: skrzyżowania zawsze mają na nich napięcie, nawet gdy nie są zasilane, nawet gdy jest to metal-krzem bez efektu diody ... a nawet gdy złącze jest żelazo-miedź, chromel-ałun itp.

Innymi słowy, jeśli chcemy zrozumieć wszystko o diodach i tranzystorach, nie wolno nam ignorować fizyki termopar i ZŁĄCZA NIE PROSTUJĄCEGO. Jeśli to zrobimy, Vce stanie się niewytłumaczalnym, mroczną tajemnicą inżynierii.

[więcej w przyszłości]

wbeaty
źródło

-1

Idealnie Vbe pasuje do Vcb i oba przewodzą do przodu z Vce (sat) = 0 przy Imax i Ic / Ib = 10.

Jak zauważył Dave T., opór rozprzestrzeniania się zasady Vbe (znana również jako skuteczna seria R lub ESR) nie jest jednolity, ale dzięki równoległemu tworzeniu wielu wąskich dołków podstawy poprawia się wydajność.

Gdy ESR mniejszego domieszkowanego złącza BE jest wyższy niż większy ESR złącza CB, otrzymujemy wyższe Vbe niż Vcb, a zatem Vce (sat) wzrasta. Wzmocnienie prądu spadło teraz do około 10% maks.

Proces epitaksjalny jest zwykle płaski niż pionowy.
implantacja jonów jest stosowana w połączeniach emitera i bazy.
$R_{CE}$
o wiele więcej elektronów zostało uszkodzonych w podstawie niż dziury w emiterze
ponieważ podstawa jest bardzo wąska, większość elektronów emitera przemieszcza się przez bazę i dociera do kolektora

Zetex wynalazł około 100 patentów procesowych dotyczących tej technologii epitaksjalnej, a teraz jako Diodes Inc ma wiele produktów, chociaż droższe mają podobne rozmiary matryc z Rce w 10 miliohmach zamiast przestarzałych puszek TO-3 z Rce w zakresie 1 Ohm. To znacznie zmniejsza rozpraszanie ciepła przy dużych prądach.

Naczepy Semi mają również własne niskie części Vce (sat).

Ten SOT-23 ma <13 centów głośności i ma Rce = 45 mOhm max. Vce max = 12V

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
źródło

Jaki jest problem? Napięcie podstawowe tworzy pole do przewodzenia CE

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Brak inteligentnego odparcia -1

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Nasycone tranzystory BJT.

Odpowiedzi: