Насичені транзистори BJT. : AKA - речі, які змушують тебе йти «Хмммм»

11

Ми використовуємо їх щодня, і ті, хто знає, повністю розуміють функціональні характеристики транзисторів BJT. Є документи та посилання, що пояснюють оперативну математику. Є навіть багато приємних відео, які пояснюють сучасні теорії того, як вони фізично працюють. (Більшість останніх даються людьми, які чомусь розмовляють "англійською телемаркетом".)

Однак я маю визнати, що навіть після 40+ років багато цього я маю прийняти за номіналом, оскільки описи того, як колекторний перехід вписується в рівняння, завжди трохи хвилеподібно.

Так чи інакше, в стороні є одна граня, яку я насправді просто не отримую. Здається, що протистоїть законам фізики, Закони Кірхгофа та ін.

Я говорю про вашу стандартну насичену загальну схему випромінювачів.

Відомо, і ми приймаємо, що при насиченні напруга колектора буде меншою за базову напругу. Ми, очевидно, використовуємо це на нашу користь у схемах і вибрали деталі, щоб дати нам якомога менше Vce-Sat для певного струму навантаження.

схематичний

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Все добре і понравилося, поки ви не подивитеся на квінтесенціальний режим типового транзистора NPN ...

Як чорт може у колектора бути меншою напругою, ніж база в цьому сендвіч?

Навіть якщо ви додаєте туди якусь напругу типу ЕРС, щоб врахувати це, струм колектора буде йти неправильним шляхом через з'єднання бази-колектора.

transistors bjt physics

— Trevor_G
джерело

Чи допомагає це думати про електрони як набуваючий імпульс, коли вони прискорюються через Vbe, який переносить їх повністю через (дуже вузьку) базову область в колектор? (на кшталт вільного ходу на велосипеді під гору та на наступний (менший) пагорб, не вистачаючи правого повороту на вузьку доріжку внизу?

— Brian Drummond

Схоже, вам може знадобитися спуститися на кілька рівнів абстракції ...

— Євген Ш.

@BrianDrummond ya - це класичні хвилясті відповіді, які я говорив про те, що обходив основні закони ЕЕ. Це якось спливає без ефекту

— Оміка

1

Так. Ви маєте струм базового випромінювача. У вас є струм базового колектора. А у вас є струм колекторного випромінювача. Струм базового колектора низький, поки ви не переходите в насичення. Причина базового струму зростає (при постійному Ic постійному) в насиченні полягає в тому, що частина струму бере ярлик до основи, переходячи замість цього на колектор.

— Маккей

1

Можливо, буде цікаво поставити резистор низького значення між колектором і землею і виміряти, скільки струму протікає в землю через колектор проти очікуваного шляху (через заземлений випромінювач).

— Spehro Pefhany

6

У біполярному транзисторі випромінювач має значно більший допінг, ніж у основи. При застосуванні прямого зміщення до діода базового випромінювача струм буде текти, і завдяки більшому легуванню в випромінювачу набагато більше електронів витікає з випромінювача в основу, ніж отвори течуть від основи до випромінювача.

Струм у напівпровіднику може протікати через два основні механізми: є "дрейфовий" струм, де електричне поле прискорює електрони в певному напрямку. Це простий спосіб поточного потоку, до якого ми всі звикли. Існує також "дифузійний" струм, коли електрони переміщуються з областей з більш високою концентрацією електронів в області з меншою концентрацією, подібно до просочування води в губку. Однак ті, що розсіюються електрони, не можуть переміщатися назавжди, оскільки в якийсь момент вони потраплять у дірку та рекомбінують. Це означає, що дифузні (вільні) електрони в напівпровіднику мають період напіввиведення та так звану довжину дифузії, яка є середньою відстані, яку вони проходять перед тим, як рекомбінувати з отвором.

Дифузія - це механізм, за допомогою якого діодний перехід створює свою область виснаження.

Тепер, якщо діод базового випромінювача зміщений вперед, область виснаження базового випромінювального діода стає меншою і електрони починають дифундувати з цього з'єднання в базу. Однак, оскільки транзистор побудований так, що довжина дифузії цих електронів довша, ніж основа широка, багато цих електронів насправді здатні дифундувати прямо через основу, не рекомбінуючись і виходячи на колектор, ефективно "тунелюючи" через основу, не взаємодіючи з отворами там. (Рекомбінація є випадковим процесом і відбувається не одразу, тому в першу чергу існує дифузія.)

Отже, врешті-решт, деякі електрони потрапляють у колектор випадковим рухом. Тепер, коли вони знаходяться там, електрони можуть повернутися в основу лише тоді, коли вони подолають напругу зсуву вперед діода основи-колектора, змусивши їх "накопичуватися" в колекторі, зменшуючи напругу там, поки вони не зможуть подолати з'єднання бази та колектора і потік назад. (Насправді цей процес, звичайно, є рівновагою.)

З напругами, які ви застосовуєте до основи, випромінювача та колектора, ви створюєте лише електричні поля в напівпровіднику, які викликають дрейф електронів у напрямку виснаження, змінюючи концентрацію електронів у кристалі, що призводить до того, що дифузійний струм протікає через база. Хоча на одиничні електрони впливають електричні поля, створювані напругами на клемах транзистора, вони самі не мають напруги, а лише енергетичні рівні. Всередині частини кристала, яка зазвичай знаходиться на одній напрузі, електрони можуть (і будуть) мати різну енергію. Насправді жоден два електрона ніколи не може мати однаковий рівень енергії.

Це також пояснює, чому транзистори можуть працювати в зворотному напрямку, але з набагато меншим посиленням струму: Електронам важче дифундувати в область сильно легованого випромінювача, ніж у слабо легований колектор, оскільки концентрація електронів там вже досить висока. Це робить цей шлях менш сприятливим для електронів, ніж у неперевернутому транзисторі, тому більше електронів просто витікає прямо з основи і коефіцієнт підсилення нижчий.

— Джонатан С.
джерело

1

Джонатан, це все дуже добре і класично, але це не пояснює, як можна мати шар посередині, який знаходиться на більш високій напрузі, ніж той, що над ним.

— Trevor_G

@Trevor_G У напівпровіднику насправді немає "напруг". Є електричні поля, але одиничні електрони можуть мати багато різних енергетичних рівнів, хоча вони знаходяться в одній області кристала. Якби це не було, не було б смуг смуг і, отже, не було напівпровідників. Електрон навіть не має напруги.

— Джонатан С.

@JonathanS. Дивіться мою відповідь. Розуміння деталей, про які говорить Тревор, вимагає розуміння того, що поля / напруги, пов’язані з базою, не є постійними по всій його площі, особливо під час насичення.

— Трейд Дейв

Я все це читав раніше, це все ще не пояснює, як напруга може бути нижчою на колекторі, лише як електрони роблять це через області виснаження. Хоча ти ненадовго ухилився від тунелювання.

— Trevor_G

@Trevor_G Підстава легується позитивно, колектор трохи негативно. Оскільки підстава невелика порівняно з довжиною дифузії електронів, ми можемо вважати рівну кількість електронів на площу, «приземлену» в базі та колекторі після дифузії. Оскільки колектор вже негативно легований, він буде мати більшу концентрацію електронів, ніж основна, внаслідок чого він знаходиться при меншій напрузі.

— Джонатан С.

5

Як чорт може у колектора бути меншою напругою, ніж база в цьому сендвіч?

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

Тому, мабуть, ваше справжнє запитання: враховуючи ті прикладені напруги, як випливає, що закон фізики дозволяє струму колектора надходити в колектор?

- 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.

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

Це єдині обмеження, які фізика ставить на кінцеві напруги та струми в статичному випадку. Як бачите, всі перераховані вище умови стосуються насиченого BJT.

Ваша плутанина, ймовірно, випливає з неявного припущення лінійного пристрою, що не є BJT.

— Массімо Ортолано
джерело

Дякуємо, що скопіювали вашу відповідь, я видалив дублікат, перш ніж ваша відповідь вибачилася.

— Trevor_G

3

Видається, що джерелом плутанини є припущення, що струм може бути лише дрейфовим струмом. Дифузійний струм не повинен підкорятися електричному полі, насправді це той факт, що він може текти, незважаючи на протилежне електричне поле, яке робить транзистори здатними до ... транзисторної дії.

— Середній Ваштар

1

@Trevor_G З ваших коментарів я підозрюю, що ви думаєте, що транспорт електронів керується лише електричним полем, тобто градієнтом електричного потенціалу. Насправді, те, що рухає електронним транспортом, - це електрохімічний потенціал , який враховує неоднорідність системи, обумовлену різними концентраціями носіїв через стики. Саме ця неоднорідність генерує дифузійний струм.

— Массімо Ортолано,

2

@Trevor_G, Як сказав Массімо, саме градієнт концентрації породжує дифузійний струм. Так само, як газ може розширюватися вгору, незважаючи на тяжкість. Електрони в напівпровіднику більше схожі на газ (ви можете переміщати їх за допомогою насоса, але вони також можуть переміщатися через градієнт концентрації), тоді як у провіднику вони більше схожі на рідину (будучи несжимаемим, вам потрібен насос для виготовлення це рухатись). Мені здається, ви запитуєте: як я можу перенести цей газ, не перекачуючи насос у цьому напрямку?

— Середній Ваштар

1

Крім того, якби якимось чином вам вдалося видалити цей компонент дифузійного струму, наприклад, помістивши шар провідника в середину основи, ви вмить «конденсуєте» цей газ у рідині, що, змітаючись із основи, вбиває транзисторна дія. Ви отримаєте два діоди назад до спини, і в такому випадку ваше заперечення щодо потенціалів буде справедливим. Проблема полягає в тому, що ви не могли досягти тих самих значень струму та потенціалів, які ви маєте в транзисторі.

— Середній Ваштар

3

Майте на увазі, що база не має однакової напруги на всій своїй площі. З основою існує непридатний опір "листа", зовнішній зв'язок якого в певному значенні повинен обов'язково знаходитися на краю конструкції. Оскільки в цьому "аркуші" є розподіл струму, існує також розподіл напруги.

Отже, за насиченням струм, який надходить у базовий термінал, проходить через обоє діодні переходи (BE і BC), розташовані вперед, поблизу базового терміналу. Струм, що йшов до колектора, потім надходить до випромінювача через іншу частину основи, що знаходиться далі від базового терміналу.

По суті, падіння напруги через притаманний базовий опір - це те, що дозволяє розподілити напругу, яке ми бачимо на зовнішніх клемах.

— Дейв Твід
джерело

Я хоч і це могло б бути чимось подібним, але тоді я зрозумів, що якщо це так, то далекі точки не будуть упередженими і не ведучими, тому вид ідеї розпадається.

— Trevor_G

Ні, воно не розпадається. Немає причин, що деякі регіони не можуть бути упередженими вперед, а інші -. Перестаньте думати з точки зору елементів, що стикаються, - поля постійно змінюються в межах транзистора, особливо під час насичення. Частини, які не є упередженими вперед, функціонують у "класичному" порядку, який описав Джонатан С.

— Трейд Дейв

0

BJT - це поточні пристрої. Коли в активній області, партії випромінювачів (випромінювачі сильно леговані і мають більше негативу, ніж база), електрони потрапляють в основу (злегка леговані), а деякі потрапляють у меншу кількість отворів для основи, але більшість розсіюється по всій колектору, викликаючи Ic . Коли насичений, колектор також є більш негативним, ніж основа, тому він вносить частину електронів до основи. Оскільки колектор вносить більше основи електронів (Vbc більш позитивний), то випливає, що струм колектор-випромінювач буде нижчим. Оскільки Vbc стає менше (Vce (sat) вище), струм насичення може бути вищим. Отже, потрапивши в насичення, напруга колектора піднімається разом зі струмом колектора.

Ви можете запустити транзистор із зворотним колектором та випромінювачем. Оскільки колектор злегка легований порівняно з випромінювачем, коефіцієнт підсилення в'ялий, але Vce (сб) буде знижений в одному діапазоні мВ. У епоху до FET ми використовували такий підхід до наземних аналогових входів у вибірках і утримуваннях тощо.

— Джон Біркхед
джерело

0

Це різні носії та різні режими руху. Якщо говорити про NPN.

Зі збільшенням базової напруги Дірки починають рухатись через потенційний бар'єр переходу BE, і ви отримуєте ще багато електронів назад. Електрони рухаються по базі дифузією, рухаючись від високої концентрації до низької концентрації, вони не рухаються напругою.

Ви опиняєтеся купою вільних електронів на переході BC, утворюючи негативно заряджену область, і вони змітаються будь-яким позитивним напругою на колекторі.

— RoyC
джерело

1

Дійсно цікаве питання, чи збираєтесь ви це зробити в серію :).

— RoyC

Дякуємо за опис та комплімент запитань. Частина "їх охоплює будь-яка позитивна напруга на колекторі" є однією з таких ... хоча й не думайте про це занадто багато деталей. Будучи зворотним зміщеним діодом, електрони, що накопичуються на базовій стороні, повинні вимкнути режим діода, а не увімкнути. Для того, щоб увімкнути його нам потрібні отвори, щоб накопичити там .. не електрони, або, або електрони, щоб накопичитись на колекторній стороні стику. Щось не додається.

— Trevor_G

Ні, це не діод, якби це був діод, у вас були б отвори, що накопичуються там, а не електрони, тому наявність двох діодів послідовно не робить транзистор.

— RoyC

:) Я я це розумію, але, згідно з класичною теорією, все ще існує перехідний бар'єр між базою та колектором. Що відрізняє його від заднього до заднього діодів, це лише один, дуже тонкий центральний анод або катод. Це дійсно цікава, не настільки зрозуміла, як проста модель, яку ми приймаємо.

— Trevor_G

Справа в тому, що неможливо сформувати діодну ділянку виснаження на переході СВ за наявності маси електронів. У звичайному діоді у вас були б отвори лише на стороні П стику, і вони будуть витягнуті з місця стику полем. Електрони тягнуться через перехід, подаючи вам струм колектора.

— RoyC

0

НЕПЕРЕКТИВНІ ПОТЕНЦІАЛИ СПІЛКУВАННЯ У цьому і є трюк.

Кожен пропускає простий, дуже основний факт. (Більшість підручників для початківців теж пропускають це. Навіть деякі інженери-професіонали здаються незрозумілими.) Факт: стики завжди мають напругу на них, навіть коли вони не працюють, навіть коли це метал-кремній без діодного ефекту ... і навіть коли перехід залізо-мідний, хромо-алюмелевий тощо.

Іншими словами, якщо ми хочемо зрозуміти все, що стосується діодів і транзисторів, нам не дозволяється ігнорувати фізику термопари та НЕРЕКТИФІЧНІ СПІЛЬНОСТІ. Якщо ми це зробимо, то Vce стає незрозумілою, темною таємницею інженерії.

[ще в майбутньому]

— хитрий
джерело

-1

В ідеалі Vbe відповідає Vcb, і обидва переводяться вперед з Vce (sat) = 0 на Imax та Ic / Ib = 10.

Як зауважив Дейв Т., опір розповсюдженню основи Vbe (також ефективна серія R або ШОЕ) не є рівномірним, але паралельно зробивши кілька вузьких базових свердловин продуктивність покращується.

Коли ШОЕ меншого більш легованого BE переходу вище, ніж більший ШОЕ переходу CB, ми отримуємо більш високий Vbe, ніж Vcb, таким чином Vce (sat) зростає. Поточний приріст знизився приблизно до 10% від макс.

Епітаксіальний процес зазвичай планарний, ніж вертикальний.
Іонна імплантація використовується для емітерних та базових стиків.
$R_{CE}$
в основу введено набагато більше електронів, ніж дірок у випромінювачі
Оскільки основа виконана дуже вузько, більшість випромінюючих електронів рухаються через базу і доходять до колектора

Zetex винайшов близько 100 патентів на технологію навколо цієї епітаксіальної технології, і тепер, як Diodes Inc є багато продуктів, хоча дорожчі мають аналогічні розміри штампів з Rce в 10-х мільйонних частинах застарілих банок TO-3 з Rce в діапазоні 1 Ом. Це значно зменшує тепловіддачу при великих струмах.

ON Semi мають також свої низькі Vce (sat) частини.

Цей СОТ-23 об'єм <13 центів і має Rce = 45 мОм макс. Vce max = 12В

— Тоні Стюарт Сунніскігуй EE75
джерело

В чому проблема? Базова напруга створює поле для проведення СЕ

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75,

Немає розумних спростувань -1

— Тоні Стюарт Сунніскігуй EE75