Podstawowe działanie bipolarnego tranzystora złączowego

Naprawdę bardzo starałem się zrozumieć podstawową zasadę działania tranzystora. Odniosłem się do wielu książek i byłem na forach, ale nigdy nie uzyskałem przekonującej odpowiedzi.

Oto rzeczy, które chcę zrozumieć:

Tranzystor jest podobny do diody odchylonej do tyłu, chyba że do podstawy zostanie przyłożone napięcie. Ponieważ złącze Emiter-Baza jest skierowane do przodu, nastąpi przewodzenie - powiedzmy - elektronów (npn). Co się wtedy stanie? Czy to prawda, że ​​te elektrony z podstawy przełamują barierę połączenia kolektor-podstawa, a następnie połączony prąd przechodzi do emitera? (IB + IC = IE)

I dlaczego stajemy się bardziej aktualni? Gdzie jest wzmocnienie? To nie może być jak tworzenie czegoś z niczego. Wiem, że brakuje mi tutaj jakiegoś ważnego punktu. Czy ktoś może mi wyjaśnić w prosty sposób?

Minął tydzień, kiedy staram się to zrozumieć. :(

Kiedy elektrony przepływają przez skierowane do przodu złącze diody, takie jak złącze baza-emiter tranzystora, zajmuje to niezerową ilość czasu, aby ponownie złączyły się z otworami po stronie P i zostały zneutralizowane.

W tranzystorze NPN region podstawowy typu P jest tak skonstruowany, że jest tak wąski, że większość elektronów faktycznie przechodzi przez niego całą drogę, zanim nastąpi ta rekombinacja. Gdy osiągną obszar wyczerpania odwróconego uprzednio złącza podstawy-kolektora, który ma na sobie silne pole elektryczne, są one szybko usuwane z obszaru podstawy, tworząc prąd kolektora.

Całkowity prąd przez złącze baza-emiter jest kontrolowany przez napięcie baza-emiter, które jest niezależne od napięcia kolektora. Opisuje to słynne równanie Ebersa-Molla . Jeśli kolektor jest w obwodzie otwartym, cały ten prąd wypływa z połączenia podstawowego. Ale tak długo, jak na złączu kolektor-podstawa występuje co najmniej niewielkie dodatnie napięcie, większość prądu jest kierowana do kolektora i pozostaje tylko niewielka część wypływająca z podstawy.

W tranzystorze o dużym wzmocnieniu mniej niż 1% elektronów faktycznie rekombinuje w obszarze podstawowym, gdzie pozostają one jako prąd emiter podstawowy, co oznacza, że ​​prąd kolektora może wynosić 100 x lub więcej prądu podstawowego. Proces ten jest optymalizowany poprzez staranne kontrolowanie zarówno geometrii trzech obszarów, jak i określonych poziomów dopingu stosowanych w każdym z nich.

Tak długo, jak tranzystor jest spolaryzowany w tym trybie pracy, niewielka zmiana napięcia podstawowego emitera (i odpowiednio niewielka zmiana prądu podstawowego emitera) powoduje znacznie większą zmianę prądu kolektor-emiter. W zależności od impedancji zewnętrznej podłączonej do kolektora może to również powodować dużą zmianę napięcia kolektora. Cały obwód wykazuje wzrost mocy, ponieważ moc wyjściowa (ΔV _C × ΔI _C ) jest znacznie większa niż moc wejściowa (ΔV _B × ΔI _B ). W zależności od konkretnej konfiguracji obwodu, ten zysk mocy może być zrealizowany jako albo wzrost napięcia, zysk prądu, albo kombinacja obu.

Zasadniczo to samo dzieje się w tranzystorze PNP, ale teraz musisz pomyśleć o dziurach (brak elektronu) jako o nośniku ładunku dodatniego, który dryfuje przez całą bazę typu N do kolektora.

Przeczytaj i przeczytaj ponownie doskonałą odpowiedź Dave'a.

Następnie mentalnie odwróć to, co się dzieje ...

Masz skierowane do przodu złącze podstawy-emiter, a zewnętrzny obwód podłączony do podstawy wymaga prądu Ib, który jest dostarczany z elektronów pochodzących z emitera.

Ale kiedy elektron wchodzi do regionu podstawowego, napotyka silne pole elektryczne, przyciągając je do (dodatniego) kolektora. Większość (duża i dość dobrze określona proporcja) tych elektronów jest tracona (z prądu podstawowego) i pojawia się jako prąd kolektora, z powodów tak dobrze wyjaśnionych w odpowiedzi Dave'a. Zamiast wydajnego wzmacniacza, równie dobrze można postrzegać tranzystor jako beznadziejnie nieefektywnego dostawcę prądu bazowego!

Z tego punktu widzenia obwód podstawowy wymaga Ib, a emiter go zasila. Ale jako produkt uboczny, znacznie większy prąd (Ic = 100 Ib) jest „tracony” do kolektora. I tego właśnie naprawdę chcemy.

EDYCJA dotyczy: komentarz: Ostatecznie (większość, powiedzmy 99%) elektrony z emitera wchodzą do regionu kolektora.

Ostatecznie prąd kolektora musi być (nieznacznie) mniejszy niż prąd emitera zasilającego.

Prawo do obu z nich.

Co jest celem?

1) Bardzo mały prąd podstawowy kontroluje duży prąd kolektora, a prąd emitera jest sumą tych dwóch.

2) Stosunek Ic / Ib (hFE lub wzmocnienie prądu) jest w przybliżeniu niezależny od napięcia kolektora Vce (dopóki Vce nie będzie niskie, powiedzmy <1V). Oznacza to, że dla odpowiedniego wyboru impedancji w obwodzie kolektora niewielka zmiana Ib może spowodować dużą zmianę Ic i dużą zmianę Vce; stąd pochodzi przyrost napięcia.

Zatem zwykły wzmacniacz „wspólnego emitera” ma obciążenie w obwodzie kolektora i ma zarówno wysoki wzrost prądu, jak i wysoki wzrost napięcia.

Tak to widzę, mam nadzieję, że doda coś przydatnego w dyskusji:

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.

DIODY

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 te 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.

TRANZYSTORY BIPOLARNE

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 odwrotnym kierunku, 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 u podstawy jest bardzo cienkie, więc zalewanie elektronów i dziury w części BE zastępują te, które odwróciło napięcie kolektora, a prąd może teraz 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 bazowy, 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 na emiterze w symbolu, który pokazuje kierunek konwencjonalnego prądu kolektora (przeciwnie do przepływu elektronów), wskazuje w stronę ujemnej strony przyłożonego napięcia CE, więc prąd jest „poza P lub na N na emiterze ”.

TRANZYSTORY DZIAŁAŃ ZEWNĘTRZNYCH 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, i 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