Основна робота транзистора біполярного переходу


13

Я дуже намагався зрозуміти основний принцип роботи транзистора. Я згадував багато книг і був на форумах, але ніколи не отримав переконливої ​​відповіді.

Ось що я хочу зрозуміти:

Транзистор схожий на зворотний зміщений діод, якщо напруга не застосовується. Оскільки перехід Емітер-Основа є упередженим вперед, буде проводитись, скажімо, електрони (npn). Що ж відбувається тоді? Чи правда, що ці електрони з Бази проривають бар'єр переходу Колектор-База, а потім комбінований струм переходить до Випромінювача? (IB + IC = IE)

І чому це ми стаємо більш актуальними? Де посилення? Це не може бути, як створити щось із нічого. Я знаю, що тут я пропускаю якийсь важливий момент. Чи може мені хтось чітко пояснити простими словами?

Минуло тиждень, коли я намагаюся це зрозуміти. :(

Відповіді:


20

Коли електрони протікають через діодний перехід вперед, такий як базовий випромінювальний перехід транзистора, їм фактично потрібно ненульовий проміжок часу, щоб вони рекомбінувались з отворами на стороні Р і були нейтралізовані.

У транзисторі NPN базова область Р типу побудована так, щоб бути настільки вузькою, що більшість електронів насправді проходять весь шлях через неї до того, як відбудеться ця рекомбінація. Як тільки вони досягають області виснаження зворотно-зміщеного з'єднання основи-колектора, який має сильне електричне поле через нього, вони швидко змітаються з базової області, створюючи колекторний струм.

Загальний струм через базовий випромінювальний перехід регулюється напругою базового випромінювача, яке не залежить від напруги колектора. Це описано відомим рівнянням Еберса-Молла . Якщо колектор відкритого контуру, весь цей струм витікає з базового з'єднання. Але поки на стику колектор-основа є хоча б невеликий позитивний зміщення, велика частина струму відводиться до колектора і залишається лише невелика частка, що витікає з основи.

У транзисторі з високим коефіцієнтом посилення менше 1% електронів фактично рекомбінують у базовій області, де вони залишаються як струм базового випромінювача, а це означає, що струм колектора може становити 100 × або більше базового струму. Цей процес оптимізований за рахунок ретельного контролю як геометрії трьох областей, так і конкретних рівнів допінгу, що використовуються в кожній з них.

Поки транзистор є упередженим у цьому режимі роботи, невелика зміна напруги базового випромінювача (і відповідно невелика зміна струму базового випромінювача) викликає значно більшу зміну струму колектор-випромінювач. Залежно від зовнішнього опору, підключеного до колектора, це також може спричинити велику зміну напруги колектора. Загальний контур показує посилення потужності, оскільки вихідна потужність (ΔV C × ΔI C ) набагато більша, ніж вхідна потужність (ΔV B × ΔI B ). Залежно від конкретної конфігурації ланцюга, цей коефіцієнт посилення може бути реалізований як посилення напруги, посилення струму або комбінація обох.

По суті те ж саме відбувається і в транзисторі PNP, але тепер ви повинні думати про отвори (відсутність електрона) як про носія позитивного заряду, який пропливає всю дорогу через базу типу N до колектора.


Добре. Тому через вузьку основу та менший час рекомбінації не відбувається. І електрони переносяться в область колектора, яка утворює колекторний струм. Але я не розумію, де і чому відбувається посилення у всьому цьому процесі. Оскільки струм колектора - це не що інше, як частина струму в передній зміщений np-перехід, який проходить від бази до.колектора, звідки ми отримуємо більше посилення струму чи струму? Чому і як змінюється базовий струм, що спричиняє variation.in в колекторному струмі. Будь ласка, поясніть мені!
Aditya Patil

5
Ампліфікація не відбувається всередині транзистора; посилення - це поняття, пов'язане із загальною схемою, в якій воно знаходиться. Справа в тому, що транзистор - це пристрій, який може викликати великі зміни струму колектора від невеликих змін базового струму. Цей факт може бути використаний для створення схем, що мають посилення напруги, посилення струму або те і інше. У кожному випадку вихідна потужність сигналу більша за вхідну потужність сигналу. Додаткова потужність на виході надходить від електроживлення ланцюга.
Трейд Дейва

Привіт. Я прочитав усе вищезгадане обговорення, яке говорить про струми постійного струму в транзисторі, коли не застосовується зовнішній вхідний сигнал. Тепер, припустимо, я застосовую сигнал декількох мВ між з'єднанням базового випромінювача. Поясніть, будь ласка, як цей вхідний сигнал декількох МВ підсилюється в транзисторі?
юві

@yuvi: Ні, таке пояснення неможливо надати без контексту конкретної схеми. Крім того, EE.SE не є місцем для такої дискусії, яка може (і робить) заповнення цілих книг.
Трейд Дейва

@DaveTweed, вибачте за затримку. Дуже дякую за чудову відповідь.
Aditya Patil

4

Прочитайте і перечитайте відмінну відповідь Дейва.

Потім подумки переверніть те, що відбувається ...

У вас перехідний зсув базового випромінювача вперед, а зовнішня схема, підключена до основи, вимагає струму Ib, який подається від електронів, що випромінюються випромінювачем.

Але коли електрон потрапляє в базову область, він стикається з сильним електричним полем, яке тягне його до (позитивного) колектора. Більшість (велика і досить чітко визначена частка) цих електронів втрачаються (від основного струму) і виникають як колекторний струм з причин, що так добре пояснюються у відповіді Дейва. Тому замість ефективного підсилювача ви могли б однаково добре сприймати транзистор як безнадійно неефективного постачальника базового струму!

З цього погляду базовий контур вимагає Ib, а випромінювач постачає його. Але як побічний продукт набагато більший струм (Ic = 100Ib) «втрачається» на колектор. Що, звичайно, те, що ми дійсно хочемо.

EDIT re: comment: Зрештою (більшість, скажімо, 99%) електрони з випромінювача потрапляють у область колектора.

Зрештою струм колектора повинен бути (трохи) меншим, ніж струм випромінювача.

Право обох.

Яка мета?

1) Дуже малий базовий струм керує великим струмом колектора, а струм випромінювача - це сума цих двох.

2) Співвідношення Ic / Ib (hFE або посилення струму) приблизно не залежить від напруги колектора Vce (поки Vce низький, скажімо, <1V). Це означає, що для відповідного вибору опору в колекторній схемі невелика зміна Ib може призвести до великої зміни Ic та великої зміни Vce; ось звідки йде посилення напруги.

Так звичайний підсилювач "загального випромінювача" має навантаження в колекторній схемі і має як високий коефіцієнт посилення струму, так і високий коефіцієнт посилення напруги.


Дякую, Брайан Я думаю, я зараз цілком зрозумів власне процес. Визначення посилення настільки заплутане, що я подумав, що якийсь внутрішній процес насправді виробляє більше носіїв заряду в колекторній схемі. Однак у мене є ще кілька запитань. Зрештою, це електрони, випромінювані випромінювачем, потраплять у область колектора? Тоді яка користь робити все це? Струм випромінювача буде відгалужуватися, і невелика його частина є базовим струмом, а значна частина - колекторним струмом. Зрештою, струм колектора повинен бути меншим, ніж струм випромінювача живлення?
Адітя Патіль

Якщо це так, то що посилюється? Ви можете мені навести приклад?
Aditya Patil

α1αββ=α1α=99

Що посилюється? Базовий струм.
Брайан Драммонд

Привіт. Я прочитав усе вищезгадане обговорення, яке говорить про струми постійного струму в транзисторі, коли не застосовується зовнішній вхідний сигнал. Тепер, припустимо, я застосовую сигнал декількох мВ між з'єднанням базового випромінювача. Поясніть, будь ласка, як цей вхідний сигнал декількох МВ підсилюється в транзисторі?
юві

0

Це я так бачу, я сподіваюся, що це додасть щось корисне для дискусії:

Напівпровідники, діоди та транзистори

ЕЛЕКТРОНИ ТА КОЛИ

Давайте придумаємо ряд копійок, викладених у рядку, торкаючись поперек столу. Перемістіть правий кінець копійки на одну ширину копійки праворуч, залишивши проміжок. Потім продовжуйте рухати копійку ліворуч від проміжку в простір. По мірі продовження всі копійки перемістилися праворуч, а проміжок перемістився через стіл вліво. Тепер зображте копійки як електрони, і ви можете бачити, як електрони, що рухаються в один бік через напівпровідник, викликають переміщення отворів у зворотному напрямку.

Щоб розтягнути аналогію, ми могли б використовувати невеликі купи копійок, тому багато потрібно рухатись правою стороною, перш ніж отвір рухається ліворуч. Або у нас може бути кілька копійок і багато місця, щоб отвори легко пересувалися, коли рідкісні копійки переміщуються через широкі прогалини. Ці два випадки моделюють дві форми легованого кремнію, додано багато електронів, і у нас є N-тип, багато дірок (видалено електрони), і у нас P-тип. Види досягаються змішуванням (допінгом) Кремнію з невеликою кількістю інших металів.

Коли електрони мають боротися через атоми напівпровідника, його опір відносно високий. Ранні напівпровідники використовували германій, але, крім особливих випадків, сьогодні кремній є універсальним вибором.

Мідний провід можна візуалізувати як такий, що має великі палі електронів пенні, всі зближуються, тому струм - це рух кількох копійок у вершинах паль, жодних отворів не утворюється. При такій кількості доступних для струму питомий опір, як ми знаємо, низький.

ДІОДИ

Найпоширеніший напівпровідниковий діод (є й інші спеціалізовані типи) має перехід між N-типом та P-типом. Якщо на діод подається напруга, позитивна на кінець N типу і негативна на інший, всі електрони підтягуються до позитивного кінця, залишаючи отвори на негативному кінці. Маючи в середині майже ніяких електронів, майже не може протікати струм. Діод "зворотно зміщений"

Коли напруга подається іншим способом, негативним до кінця N типу та позитивним для типу P, електрони притягуються до середини і можуть перехрещуватися, щоб скасувати дірки типу P і витікати в з'єднувальний провід. З іншого боку, негативна напруга, кінець, електрони відштовхуються в середину діода, замінюючись тими, що заливаються з дроту, тому загальний струм може легко протікати: діод пересувається вперед.

З'єднання з діодом називаються "анодом", який є позитивним кінцем, коли діод зміщений вперед, і "катодом", який є негативним кінцем. Я пам’ятаю це за аналогією з тими ж умовами для клапанів, яким потрібна висока позитивна напруга (HT для «Високого напруження» - не тримайте пальці) на аноді, щоб струм протікав. Гарною мнемонічністю для полярності прямого зміщеного діода може бути PPNN: "Позитивний, P-тип, N-тип, негативний".

Диод варактора використовує той факт, що дві розділені області заряду, позитивна і негативна, утворюють сирий конденсатор. Так, спеціально розроблені діоди зроблені для того, щоб це використати при зворотній зміщенні. Прикладена напруга розтягує заряди в сторони, утворюючи "виснажувальний шар" між контактами. Підвищення прикладеної зворотної напруги робить цей шар товщішим, тому зменшується ємність, і навпаки. Варакторні діоди зазвичай використовуються в налаштованих контурах для зміни частоти, замінюючи лопатеві конденсатори, які використовувались у дні клапанів.

БІПОЛАРНІ ТРАНЗІСТОРИ

Біполярний транзистор - це той, чия робота залежить як від електронів, так і від дірок. Він складається з двох діодів спиною до спини, що розділяє загальний центральний шар. Один із зовнішніх клем - колектор C, а другий - випромінювач E. Центральним з'єднанням є база B, і він є частиною як діодів CB, так і BE. Отже, у нас є тришаровий сендвіч. При звичайному використанні діод між C і B є зворотним зміщенням, тому без наявності діода BE та його ефекту не протікатиме струм, оскільки всі електрони підтягуються до одного кінця секції CB, а отвори до інший кінець, як у діоді, за прикладеною напругою.

Діод BE пересувається вперед, тому може протікати струм і встановлюється зовнішній ланцюг, щоб обмежити це досить невеликим значенням, але все ще багато дірок і електронів, що протікають через Базу та Випромінювач.

Тепер розумний шматочок. Спільний зв'язок діодів СВ і BE на Базі дуже тонкий, тому затоплення електронів і дірок у частині BE замінює ті, які зворотна напруга колектора зняла, і струм тепер може текти, хоча цей діод CB у в зворотному напрямку, а потім через прямокутний зміщений перехід BE до випромінювача і назовні у зовнішню ланцюг.

Я думаю, що очевидно, що ви не можете зробити транзистор, спаявши два діоди спиною назад, дія вимагає інтимного обміну тонким шаром всередині Кремнію.

Струм колектора залежить від течії базового струму, а транзистор сконструйований так, що малий струм у діоді BE відкриває шлях до набагато більшого струму в CB-переході. Таким чином, ми маємо посилення струму. Використовуючи перепади напруги на зовнішніх резисторах, це можна перетворити на посилення напруги.

Ці транзистори називаються "біполярними", оскільки вони ефективно мають два переходи.

Я ретельно уникав згадувати тип матеріалу в діодах CB і BE, ідеї однакові для обох, і ми можемо мати NPN або PNP як можливі шари. Стрілка на випромінювачі в символі, який показує напрям звичайного колекторного струму (протилежний потоку електронів), вказує у бік негативної сторони прикладеної напруги СЕ, тому струм "вийшов із Р або в N на випромінювачі ".

ПОЛІ ЕФЕКТИВНІ ТРАНЗІСТОРИ, або БНТ

Є безліч різних конструкцій FET, і це дуже спрощений погляд на їх основний принцип.

Це «однополярні» транзистори, хоча термін не використовується часто, оскільки їх робота залежить лише від електронів та електричних полів, а не дірок.

Тут ми маємо єдиний блок легованого кремнію, «канал», з грудками протилежного типу з боків, або як оточуюче кільце. Отже, у нас є лише один діодний перехід, який називається воротами G, між грудками або кільцем і каналом. Канал діє як резистор, струм, що протікає, хоча з одного кінця, джерела S, з іншого стоку D. З'єднання між воротами і каналом є зворотним зміщенням, тому струм не тече, але є електричне поле, яке задається тягне заряди, електрони або дірки до сторін каналу, залишаючи менш доступними для струму SD. Таким чином, у нас струм SD контролюється напругою на затворі.

Зауважте, що це пристрій з контролем напруги, практично жоден струм не надходить у ворота чи виходить із них. Подумайте про закон Ома: Опір = Вольт / Ампер, і ми бачимо, що дуже низький струм означає дуже високий опір, тому FET, як кажуть, має дуже високий вхідний опір - його головна перевага перед Бі-Полярною, де, за навпаки, для передачі струму через базу потрібна невелика напруга, надаючи їй низький вхідний опір

Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.