Przepływ dziur w tranzystorze?

Mówi się, że tranzystor bipolarny ma zarówno przepływ elektronów, jak i przepływ dziurowy. Ruch elektronów można zrozumieć, ale dziury są stałą częścią struktury atomowej / krystalicznej. Jak możemy scharakteryzować ich ruch?

Dziury to przestrzenie, w których elektron mógłby być, ale obecnie nim nie jest. Jak każda dziura w makroskopowym świecie, nie można jej przenieść; to nieobecność. Wszystko, co możesz zrobić, to wypełnić dziurę, która tworzy nową dziurę w innym miejscu. Możemy w pewien sposób modelować to jako wyimaginowaną cząsteczkę, która płynie w przeciwnym kierunku od elektronów (a więc w tym samym kierunku co prąd), ale żadna cząstka nie porusza się w tym kierunku. Jak większość modeli, jest to wygodna fikcja, która ułatwia matematykę.

Dobrym sposobem na to jest wyobrażenie sobie pochyłej pochylni z rowkiem pełnym marmurów w dół zbocza. Po usunięciu dolnego marmuru stos za wszystkimi przesuwa się w dół, a na górze stosu pojawia się dziura.

Chociaż prawdą jest, że w kryształach mechanizmem przenoszącym ładunek są elektrony, dziury są czymś więcej niż tylko symbolem zastępczym. Wszystkie równania działają równie dobrze z dziurami, jak z elektronami, możesz wykonać obliczenia i określić efektywną masę dziur oraz ruchliwość dziur (która w Si jest około ~ 2,5 razy wolniejsza niż elektronów). Dlatego nie powinieneś brać pod uwagę faktu, że nie są one takie same, jak że nie mają rzeczywistych efektów.

Lubię to:

A BCDEFG
 ^ here is a hole between two letters

Teraz zobacz, jak się „porusza”:

AB CDEFG (Actually, B moved left)
ABC DEFG (C moved left)
ABCD EFG
ABCDE FG
ABCDEF G

Dziury w rzeczywistości się nie poruszają, ale tak się wydaje. Kiedy elektron wykonuje ruch, jedna dziura zamyka się, a druga otwiera się w pobliżu.

Ilekroć litera przesuwa się o jedno pole w lewo, dziura przesuwa się również o jedno pole w prawo. Możemy uznać tę sytuację za ruch liter w lewo lub ruch dziur w prawo. To jest równoważne.

Należy zauważyć, że w elektronice prąd jest zwykle opisywany jako przepływ ładunków dodatnich, od węzła o bardziej dodatnim napięciu w kierunku węzła o bardziej ujemnym napięciu. Nazywa się to prądem konwencjonalnym . Ale rzeczywisty prąd faktycznie składa się z elektronów, które zmieniają się z ujemnych na dodatnie. To odwrócenie nie ma znaczenia, ponieważ prąd jest tylko matematyczną abstrakcją. Wszystkie równania opisujące zachowanie urządzenia działają dobrze.

Naukowcy arbitralnie przypisywali ładunki „dodatnie” i „ujemne”, na długo przed poznaniem struktury atomu. Dopiero później wyszło na jaw, że ładunki, które faktycznie przemieszczają się przez przewodniki, zostały oznaczone jako „ujemne”.

SEMICONDUCTORS, DIODY I TRANSISTORS

ELEKTRONY I OTWORY

Pomyślmy o rzędzie groszy ułożonych w linii, dotykających się na stole. Przesuń prawy koniec grosza o szerokość jednego grosza w prawo, pozostawiając odstęp. Następnie przesuwaj grosz na lewo od szczeliny w przestrzeń. W miarę postępów wszystkie grosze przesunęły się w prawo, a luka przesunęła się po stole w lewo. Teraz wyobraź sobie grosze jako elektrony i możesz zobaczyć, jak elektrony poruszające się w jedną stronę przez półprzewodnik powodują, że dziury poruszają się w przeciwnym kierunku.

Aby rozciągnąć analogię, moglibyśmy użyć małych stosów groszy, więc wiele musi się poruszać w prawo, zanim dziura przesunie się w lewo. Lub możemy mieć kilka groszy i dużo miejsca, aby dziury podróżowały łatwo, gdy rzadkie monety są przesuwane przez szerokie szczeliny. Te dwa przypadki modelują dwie formy domieszkowanego krzemu, dodano dużo elektronów i mamy typ N, wiele dziur (elektrony usunięte) i mamy typ P. Rodzaje osiąga się przez zmieszanie (domieszkowanie) krzemu z niewielkimi ilościami innych metali.

Ponieważ elektrony muszą przedzierać się przez atomy półprzewodnika, jego rezystywność jest stosunkowo wysoka. Wczesne półprzewodniki używały germanu, ale oprócz wyjątkowych przypadków, obecnie krzem jest powszechnym wyborem.

Drut miedziany może być wizualizowany jako mający duże stosy elektronów grosza, wszystkie blisko siebie, więc prąd jest ruchem kilku groszy na szczytach stosów, nie powstają w ogóle dziury. Przy tak wielu dostępnych dla prądu oporność, jak wiemy, jest niska.

DIODA

Najpopularniejsza dioda półprzewodnikowa (istnieją inne wyspecjalizowane typy) ma połączenie między typem N a typem P. Jeśli do diody zostanie przyłożone napięcie, dodatnie do końca typu N i ujemne do drugiego, elektrony zostaną przyciągnięte do dodatniego końca, pozostawiając dziury na ujemnym końcu. Przy prawie żadnych elektronach pośrodku prawie żaden prąd nie może płynąć. Dioda jest „stronnicza”

Gdy napięcie zostanie przyłożone w inny sposób, ujemny do końca typu N i dodatni do typu P, elektrony są przyciągane do środka i mogą się krzyżować, aby usunąć otwory w typie P i wypłynąć do przewód łączący. Z drugiej strony ujemne napięcie, koniec, elektrony są odpychane do środka diody, zastępowane przez zalewające drut, więc ogólnie prąd może łatwo przepływać: dioda jest skierowana do przodu.

Połączenia z diodą nazywane są „anodą”, która jest dodatnim końcem, gdy dioda jest skierowana do przodu, oraz „katodą”, która jest końcem ujemnym. Pamiętam je przez analogię z tymi samymi terminami dla zaworów, które potrzebują wysokiego napięcia dodatniego (HT dla „Wysokiego napięcia” - trzymaj palce z dala) na anodzie, aby płynąć prąd. Dobrym mnemonikiem dla polaryzacji diody odchylonej do przodu może być PPNN: „dodatni, typ P, typ N, ujemny”.

Dioda waraktorowa wykorzystuje fakt, że dwa oddzielne obszary ładunku, dodatni i ujemny, tworzą surowy kondensator. Tak więc, specjalnie zaprojektowane diody są tworzone w celu wykorzystania tego, gdy są odwrócone stronniczości. Przyłożone napięcie rozdziela ładunki, tworząc „warstwę wyczerpania” między stykami. Zwiększenie przyłożonego napięcia wstecznego powoduje, że ta warstwa jest grubsza, co zmniejsza pojemność i odwrotnie. Diody Varactor są powszechnie stosowane w obwodach strojonych do zmiany częstotliwości, zastępując kondensatory łopatkowe, które były używane w czasach zaworów.

TRANZYSTOR BIPOLARNY

Tranzystor bipolarny to taki, którego działanie zależy zarówno od elektronów, jak i dziur. Składa się z dwóch diod umieszczonych jeden za drugim, dzielących wspólną warstwę centralną. Jeden z zewnętrznych zacisków to kolektor C, a drugi to emiter E. Centralne połączenie to podstawa B i jest to część diod CB i BE. Mamy więc trójwarstwową kanapkę. W normalnym użyciu dioda między C i B jest odchylona w kierunku odwrotnym, więc bez obecności diody BE i jej działania nie płynie żaden prąd, ponieważ wszystkie elektrony są wyciągane do jednego końca sekcji CB, a otwory do drugi koniec, jak w diodzie, przez przyłożone napięcie.

Dioda BE jest skierowana do przodu, więc prąd może płynąć, a obwód zewnętrzny jest ustawiony tak, aby ograniczyć go do dość małej wartości, ale nadal istnieje wiele dziur i elektronów przepływających przez podstawę i emiter.

Teraz sprytny kawałek. Wspólne połączenie diod CB i BE w podstawie jest bardzo cienkie, więc zalewanie elektronów i dziury w części BE zastępują te, które odwróciło napięcie kolektora, a prąd może płynąć przez tę diodę CB w odwrotnym kierunku, a następnie przez skrzyżowane do przodu złącze BE do nadajnika i na zewnątrz do obwodu zewnętrznego.

Myślę, że to oczywiste, że nie można zrobić tranzystora przez lutowanie dwóch diod tyłem do siebie, działanie wymaga dokładnego podziału cienkiej warstwy wewnątrz krzemu.

Prąd kolektora zależy od tego, czy płynie prąd podstawowy, a tranzystor jest tak zaprojektowany, że mały prąd w diodzie BE otwiera drogę dla znacznie większego prądu w złączu CB. Mamy zatem wzmocnienie prądu. Za pomocą spadków napięcia na opornikach zewnętrznych można to przekształcić we wzmocnienie napięcia.

Tranzystory te nazywane są „dwubiegunowymi”, ponieważ skutecznie mają dwa skrzyżowania.

Ostrożnie unikałem wspominania o rodzaju materiału w diodach CB i BE, pomysły są takie same dla obu i możemy mieć NPN lub PNP jako możliwe warstwy. Strzałka w symbolu, która pokazuje kierunek konwencjonalnego prądu kolektora (przeciwnie do przepływu elektronów), wskazuje w stronę ujemnej strony przyłożonego napięcia CE, więc prąd jest „poza P i przechodzi w N na emiter ”.

TRANZYSTOR EFEKTU POLA lub FET

Istnieje wiele różnych projektów FET i jest to bardzo uproszczone spojrzenie na ich podstawową zasadę.

Są to tranzystory „jednobiegunowe”, chociaż termin ten nie jest często używany, ponieważ ich działanie zależy tylko od elektronów i pól elektrycznych, a nie od dziur.

Tutaj mamy pojedynczy blok domieszkowanego krzemu, „kanał”, z bokami przeciwnego typu po bokach lub jako pierścień otaczający. Mamy więc tylko jedno złącze diody, które nazywa się Bramką G, pomiędzy grudkami lub pierścieniem a kanałem. Kanał działa jak rezystor, z prądem płynącym z jednego końca, źródła S, do drugiego odpływu D. Połączenie między bramą a kanałem jest odwrócone, więc nie płynie prąd, ale jest ustawione pole elektryczne, które ściąga ładunki, elektrony lub dziury na boki kanału, pozostawiając mniej dostępnego dla prądu SD. Tak więc mamy prąd SD kontrolowany przez napięcie na bramce.

Należy pamiętać, że jest to urządzenie sterowane napięciem, praktycznie żaden prąd nie płynie do lub z bramki. Pomyśl o prawie Ohma: rezystancja = wolty / amper, a widzimy, że bardzo niski prąd oznacza bardzo wysoką rezystancję, więc mówi się, że FET ma bardzo wysoką impedancję wejściową - jego główna przewaga nad Bi-Polar, gdzie: przeciwnie, potrzeba niewielkiego napięcia, aby wysłać prąd przez bazę, co daje mu niską impedancję wejściową