Чому два послідовно пов'язані діоди не можуть діяти як BJT?

56

Інша форма питання: чи приєднання двох діодів проводами (pn-np) зробить транзистор-еквівалент?

Я читав, що вони не рівноцінні, але чому?

diodes bjt

— user23564
джерело

1

З одного боку, отвори не пройдуть через металеві дроти.

— Дмитро Григор’єв

60

Багато хто думає, що відповідь на це питання пов'язана з шириною базової області в транзисторах BJT - це невірно. Відповідь отримала досить довго. Ви можете прочитати, починаючи з розділу "Хитрі питання", якщо ви хочете підсумок.

Я вважаю, що вас змусили задати це питання через щось подібне до цієї картини:

введіть тут опис зображення

Це стандартна практика викладання основ BJT, але вона може збентежити того, хто детально не знайомий з теорією напівпровідників.

Для того, щоб відповісти на ваше питання на прийнятному рівні, мені потрібно припустити, що ви знайомі з принципами роботи діода PN. Ця довідка містить детальне обговорення PN переходів.

Відповідь стосується транзистора NPN, але він також стосується транзисторів PNP після відповідної зміни полярності.

введіть тут опис зображення

NPN в активному режимі роботи:

Найбільш «корисний» режим роботи транзистора BJT називається «вперед-активний»:

NPN знаходиться в активному режимі, коли:

$V_{BE}\approx 0.6V$
$V_{CB}>0$

$I_{E_n}$ $I_{B1}=I_{E_p}$ $n^{++}$ $p$

Зауважте, що отвори, що вводяться в випромінювач, подаються від електрода Бази (Базовий струм), тоді як електрони, що вводяться в Базу, подаються від електрода випромінювача (струму випромінювача). Співвідношення між цими струмами - це те, що робить BJT підсилювальним пристроєм струму - малий струм на базовому терміналі може викликати набагато більший струм на терміналі випромінювача. Звичайне підсилення струму визначається як співвідношення струмів колектор-База, але саме відношення між вищезазначеними струмами робить можливим будь-яке посилення струму.

$I_C$

Тепер, якщо всі ці електрони, що вводяться з Емітера, могли б дифундувати до зворотного зміщеного з'єднання Базис-Колектор, не піддаючись іншим ефектам - ширина Базової області взагалі не мала значення. Однак у Базі триває рекомбінація.

$I_{B2}$

Вищезазначене означає, що чим більше електронів рекомбінують під час дифузії через область бази, тим менший коефіцієнт посилення струму транзистора. Виробник повинен мінімізувати рекомбінацію, щоб забезпечити функціональний транзистор.

Існує багато факторів, які впливають на швидкість рекомбінації, але одним з найважливіших є ширина бази. Очевидно, що чим ширше База, тим більше часу знадобиться введеному електрону для дифузії через Базу, тим більше шансів, що він зустріне дірку та рекомбінує. Виробники, як правило, роблять BJT з дуже короткими базовими.

Отже, чому два ПН діоди не можуть функціонувати як один NPN:

Наведене вище обговорення пояснило, чому База повинна бути короткою. У PN діодів (як правило) немає таких коротких областей, тому швидкість рекомбінації буде дуже високою, а посилення струму буде приблизно одиницею. Що це значить? Це означає, що струм на терміналі "Випромінювач" буде дорівнює струму на терміналі "База", а струм на "Колекторі" буде дорівнює нулю:

схематичні

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

Діоди функціонують як автономні пристрої, а не один BJT!

Хитрі питання:

$p$

На це питання важче відповісти, тому що пряма відповідь "ні, база БДЖ дуже коротка" вже не застосовується.

Виявляється, такий підхід не зробить два діоди подібними за поведінкою до одного транзистора NPN. Причина полягає в тому, що при контакті металом діода, де метал і напівпровідник контактують, усі надлишки електронів "рекомбінують" з "отворами", що подаються контактом. Це не звичайна рекомбінація, оскільки метали не мають отворів, але тонка відмінність не настільки важлива - як тільки електрони вводять метал, жодна функція транзистора не може бути досягнута.

Альтернативний спосіб розуміння вищезазначеного пункту полягає в усвідомленні того, що діод Колектор-База є зворотним ухилом, але все ще проводить високий струм. Такого режиму роботи неможливо досягти за допомогою автономних діодів ПН, які проводять незначний струм при зворотному зміщенні. Причина цього обмеження однакова - надлишки електронів з боку P переднього зміщеного діода не можуть бути переміщені на P сторону зворотного зміщеного діода через металевий дріт у "BJT типу діодної конфігурації". Натомість вони підводяться до джерела живлення, забезпечуючи зміщення напруги до загальної клеми діодів.

Виникла наступне запитання, яке попросило надати більш суворі міркування для вищезазначених двох абзаців. Відповідь стосується металевих напівпровідникових інтерфейсів, і їх можна знайти тут .

Що вищезазначене означає, що обговорення ширини базової області пов'язане з обговоренням ефективності транзисторів BJT, і абсолютно не має значення для обговорення двох повернених назад PN-діодів як заміни BJT.

Підсумок:

Два PN-діоди "назад-назад" не можуть функціонувати як один BJT, оскільки функціональність транзистора вимагає лише базової області напівпровідника. Після введення металу на цьому шляху (що представляє два діоди "назад-назад") функціонування BJT неможливо.

— Василь
джерело

Я вважав, що різниця є геометрією (на моє розуміння, BJT, як правило, не симетричні, але мають випромінювач посередині, оточений колектором, який у свою чергу оточений базою), але має сенс, що поведінка транзитора не може проникнути в метал.

— supercat

1

@vasiliy дякую за чудову відповідь і відправив мене прямо. Здається, як я читаю ваше пояснення, що дія транзистора може виникати на більш широких підставах, але, посилення струму зменшується через рекомбінацію під час дифузії базової області та додавання металу повністю зупинить дію транзистора. Дякую +1

— Енді ака

Дякую! Ключові уявлення для мене були: (A) CB-перехід набагато слабший, ніж перехід EB через легшого допінгу колектора; (B) тут є два типи струму: 1), що рухається вільними електронами, що рухаються за своїм бажанням; 2) керовані пов'язаними електронами, що стрибають з отвору в отвір. Вільні електрони не мають особливих проблем при проходженні слабшого CB-переходу, коли вони пройшли EB.

— ахмед

20

Ні. Дві діоди "назад - назад" НЕ є транзистором. Особливістю, яка робить сендвіч PNP або NPN транзистором, а не лише двома діодами, є те, що базовий шар дуже тонкий. З точки зору фізики напівпровідників, в базі немає двох окремих областей виснаження. Області виснаження з двох переходів перекриваються в основі, що необхідно, щоб транзистор мав свої особливі властивості.

— Олін Латроп
джерело

4

Досі не пояснює, чому це не працює.

— Сир

4

@Curd: Це так, але, мабуть, не на тому рівні, який ти хочеш знати. Я міг би відповісти за допомогою базового струму, що впорскує носії в базовий регіон, але тоді ви можете запитати, для чого потрібні носії і т. Д. Ми повинні десь зупинитися. Сире запитання отримує грубу відповідь.

— Олін Латроп

5

Мені просто не вистачає ключового слова "дифузія", що є основним принципом у BJT, який також пояснює, чому для нього потрібна тонка основа (див. Мою відповідь).

— Сир

2

В активному режимі та режимі насичення дві області виснаження є окремими. В активному переході ЕВ перехід уперед, а у ЗБ - зворотній зсув, у насиченні обидва з'єднання - уперед зміщені і знаходяться у мінімальній мірі.

— заповнювач

7

З Вікіпедії

Транзистори можна розглядати як два діоди (P-N-переходи), що розділяють загальну область, через яку можуть рухатися носії меншин. PNP BJT буде функціонувати як два діоди, які поділяють катодну область типу N, а NPN, як два діоди, що розділяють анодну область P-типу. З'єднання двох діодів з проводами не зробить транзистор, оскільки міноритарні носії не зможуть дістатись від одного переходу P – N до іншого по дроту.

В основному напівпровідник потрібно підключити безпосередньо.

— scld
джерело

1

Чому б міноносні заряди міноритарних зборів не змогли перейти від одного переходу PN до іншого по дроту?

— user23564

Тому що це довгий провідник замість невеликої напівпровідникової області. Відповідь Оліна на це розширюється.

— scld

3

Відповідь правильна, але відповідь Оліна невірна. Проблема полягає не в довжині дроту (яку можна зробити дуже короткою, все одно не отримуючи функціональності BJT), а в характері металу на відміну від напівпровідника.

— Василь

4

Можливо, варто подумати над еквівалентним питанням для вакуумних труб. Чому дві діодні трубки «назад-назад» не можуть функціонувати як тріод? Відповідь полягає в тому, що для того, щоб тріод функціонував належним чином, більшість електронів, випромінюваних катодом, повинні пройти через сітку сітки, щоб дійти до анода. Якщо ви з'єднали дві діодні трубки разом і назвали зв'язок між ними сіткою, або якщо ви зробили сітку тріода в суцільний шматок фольги замість сітки, то всі електрони зробили б це, наскільки сітка і зупинилася там витікають в електромережу, а не повторно випромінюються, щоб дістатися до анода. Для правильної роботи тріоди повинна бути можливість імпульсу електронів перенести їх прямо через сітку, керовану більш ніж потенціалом між сіткою та анодом.

Фізичні ефекти, що грають в напівпровідниковому транзисторі, різні, але основна думка про те, що струм повинен бути в змозі обійти провід, який інакше висмоктав би його посередині, залишається незмінним.

— мскала
джерело

Хіба вакуумні трубки не схожі на JFET, ніж на біполярні транзистори? У трубці затвор виступає анодом, і якщо напруга в сітці стане більш негативним, воно відштовхне електрони, що обмежують їх потік. Між анодом і сіткою немає діода. Схематично тут було б ................................ (A) ---> | --- (C ) --- | <--- (G), загальною точкою є катод, а не сітка.

— Оскар скаго

1

Це дуже скорочена версія вже прийнятої відповіді.

Метал має інші властивості, ніж напівпровідник, тому він не об'єднає два N в єдиний N. Два діоди будуть компонентом PN-метал-NP, який не є компонентом NPN. (Навпаки для PNP.)

(Якщо ви наріжете основу транзистора тонким листом металу, він перестане працювати.)

— Оскар скаго
джерело

0

BJT спирається на принцип дифузії (міноритарних носіїв заряду).

Він працює лише в тому випадку, якщо товщина основи знаходиться в порядку довжини дифузії .

Цього неможливо досягти, з'єднавши два дискретні діоди.

— Сир
джерело

1

Ви повинні згадати взаємозв'язок між дифузією та життям меншості.

— заповнювач

0

Ні, тому що для виготовлення транзистора потрібен лише тонкий шар між випромінювачем і колектором, але якщо ви підключите 2 назад до заднього діода, вийде товстий шар, який буде важко проникнути електронам

— Коек Майк
джерело

0

В основному один з діодів вимкнеться через різницю напруги або базового випромінювача, або колектора (0,7 в будь-якій конфігурації). Більш ближчим підходом буде стабілітра і два діоди, але все одно не буде функціонувати як транзистор, ні щось корисне. Мені страшно пояснити, але відповідь можна знайти в розумінні того, як усунути падіння напруги на діоді , що рідко зустрічається в книгах, але надзвичайно важливе. Тепер спробуйте уявити 0,7 В акумулятора паралельно з діодом, підключеним до сигналу, тоді він буде вестися починаючи з 0 і згортається на 0 (не типовий -0,7). Що ж, тут є більше, але я лише намагаюся десь вказати на вас.

— відвідувач
джерело