Dlaczego dwie połączone szeregowo diody nie mogą działać jak BJT?

Inna forma pytania brzmi: czy połączenie dwóch diod z przewodami (pn-np) będzie równoznaczne z tranzystorem?

Czytam, że nie są równoważne, ale dlaczego?

Wiele osób uważa, że ​​odpowiedź na to pytanie jest związana z szerokością regionu Base w tranzystorach BJT - jest niepoprawna. Odpowiedź stała się dość długa. Możesz przeczytać zaczynając od sekcji „Podchwytliwe pytanie”, jeśli chcesz uzyskać wynik końcowy.

Uważam, że skłoniono Cię do zadania tego pytania z powodu czegoś takiego:

Jest to standardowa praktyka nauczania podstaw BJT, ale może dezorientować kogoś, kto nie zna teorii półprzewodników.

Aby odpowiedzieć na twoje pytanie na akceptowalnym poziomie, muszę założyć, że znasz zasady działania diody PN. Ta dokumentacja zawiera szczegółowe omówienie połączeń PN.

Odpowiedź dotyczy tranzystora NPN, ale dotyczy to również tranzystorów PNP po odpowiedniej zmianie biegunowości.

NPN w trybie działania skierowanym do przodu:

Najbardziej „użyteczny” tryb pracy tranzystora BJT nazywa się „aktywnym do przodu”:

NPN jest w trybie aktywnym do przodu, gdy:

• Połączenie bazy z emiterem jest skierowane do przodu (zwykle przy )$V_{BE}\approx 0.6V$
• Złącze Base-Collector jest odwrócone ( )$V_{CB}>0$

Ze względu na to, że złącze Base-Emitter jest skierowane do przodu, następuje wstrzyknięcie elektronów z Emitera do Bazy ( na powyższym obrazku) i jednoczesne wstrzyknięcie otworów od Bazy do Emitera ( na powyższym obrazku). Obszar emitera ( ) jest znacznie silniej domieszkowany niż region podstawy ( ), dlatego prąd wywołany elektronami wstrzykiwanymi do bazy jest znacznie wyższy niż prąd spowodowany dziurami wstrzykiwanymi do emitera. I B 1 = I E p n + +$I_{E_n}$$I_{B1}=I_{E_p}$$n^{++}$$p$

Należy pamiętać, że otwory wstrzykiwane do emitera są zasilane z elektrody podstawowej (prąd podstawowy), podczas gdy elektrony wstrzykiwane do bazy są zasilane z elektrody emitera (prąd emitera). Stosunek między tymi prądami sprawia, że ​​BJT jest wzmacniaczem prądu - mały prąd na zacisku Base może powodować znacznie większy prąd na zacisku Emiter. Konwencjonalne wzmocnienie prądu jest zdefiniowane jako stosunek prądów kolektor-podstawa, ale jest to stosunek między powyższymi prądami, który umożliwia dowolne wzmocnienie prądu.

Z powodu wstrzyknięcia ogromnej ilości elektronów z Emitera, elektrony mają tendencję do dyfundowania przez odwrotne złącze spoczynkowe Base-Base-Collector. Gdy elektron dotrze tam, jest zamiatany przez obszar wyczerpywania podstawy kolektora i jest wstrzykiwany do kolektora, przyczyniając się w ten sposób do prądu kolektora ( na zdjęciu powyżej).$I_C$

Teraz, jeśli wszystkie te elektrony wstrzyknięte z Emitera mogłyby dyfundować do sprzężonego odwrotnie złącza Base-Collector bez poddawania się innym efektom - nie było żadnego znaczenia dla szerokości regionu Base. Jednak w Bazie trwa rekombinacja.

W procesie rekombinacji wstrzykiwane elektrony spotykają się z dziurami i „neutralizują się”. Wtryskiwany elektron jest „tracony” w tym procesie i nie będzie przyczyniał się do prądu na terminalu kolektora. Ale poczekaj, konserwacja ładunku wymaga, aby dziura, która połączyła się z wstrzykniętym elektronem, została skądś zasilona, ​​prawda? Okazuje się, że rekombinowane otwory są również zasilane z zacisku Base ( na powyższym obrazku), zwiększając w ten sposób prąd Base i zmniejszając stosunek prądów Emiter do Base (który reprezentuje wzmocnienie prądu tranzystora, pamiętasz?).$I_{B2}$

Powyższe oznacza, że ​​im więcej elektronów rekombinuje podczas dyfuzji przez obszar podstawy, tym niższy jest wzrost prądu tranzystora. Producent musi zminimalizować rekombinację w celu zapewnienia funkcjonalnego tranzystora.

Istnieje wiele czynników wpływających na szybkość rekombinacji, ale jednym z najważniejszych jest szerokość bazy. Oczywiste jest, że im szersza Baza, tym więcej czasu zajmie wstrzyknięcie elektronu, aby dyfundować przez Bazę, tym większa szansa, że ​​napotka dziurę i zrekombinuje. Producenci zwykle produkują BJT z bardzo krótkimi bazami.

Dlaczego więc dwie diody PN nie mogą funkcjonować jako jedna NPN:

Powyższa dyskusja wyjaśniła, dlaczego Podstawa musi być krótka. Diody PN (zwykle) nie mają tych krótkich obszarów, dlatego szybkość rekombinacji będzie bardzo wysoka, a zysk prądu będzie w przybliżeniu jedności. Co to znaczy? Oznacza to, że prąd na zaciskach „Emiter” będzie równy prądowi na zaciskach „Base”, a prąd na „Collector” wyniesie zero:

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Diody działają jak samodzielne urządzenia, a nie pojedynczy BJT!

Podchwytliwe pytanie:

Z różnym stopniem dokładności wiele osób może odpowiedzieć na twoje pierwsze pytanie tak jak ja. Jednak bardziej interesujące jest pytanie: jeśli sprawimy, że boki obu diod będą bardzo krótkie, tak że suma ich szerokości nie będzie szersza niż region podstawowy tranzystora NPN, czy diody będą działać jako tranzystor?$p$

Na to pytanie trudniej jest odpowiedzieć, ponieważ bezpośrednia odpowiedź „nie, Baza BJT jest bardzo krótka” nie ma już zastosowania.

Okazuje się, że takie podejście nie sprawi, że dwie diody będą podobne w działaniu do jednego tranzystora NPN. Powodem jest to, że przy metalowym kontakcie diody, gdzie metal i półprzewodnik są w kontakcie, wszystkie nadmierne elektrony „rekombinują” z „dziurami” dostarczonymi przez kontakt. Nie jest to zwykła rekombinacja, ponieważ metale nie mają dziur, ale dokładne rozróżnienie nie jest tak ważne - gdy elektrony wejdą w metal, nie można uzyskać żadnej funkcji tranzystora.

Alternatywnym sposobem na zrozumienie powyższego punktu jest uświadomienie sobie, że dioda kolektor-podstawa jest skierowana w przeciwną stronę, ale nadal przewodzi wysoki prąd. Tego trybu działania nie można osiągnąć za pomocą niezależnych diod PN, które przewodzą pomijalne prądy w odwrotnym kierunku. Powód tego ograniczenia jest taki sam - nadmiar elektronów ze strony P diody odchylonej do przodu nie może zostać przesunięty na stronę P diody odchylonej do tyłu przez metalowy drut w „konfiguracji diod typu BJT”. Zamiast tego są zamiatane do zasilacza, zapewniając napięcie wstępne do wspólnego zacisku diod.

Pojawiło się pytanie uzupełniające, które wymagało podania bardziej rygorystycznego uzasadnienia dla powyższych dwóch akapitów. Odpowiedź dotyczy interfejsów metal-półprzewodnik i można ją znaleźć tutaj .

Oznacza to, że dyskusja na temat szerokości regionu podstawowego jest związana z dyskusją na temat skuteczności tranzystorów BJT i ​​jest całkowicie nieistotna dla dyskusji na temat dwóch diod PN-E z powrotem jako substytutu BJT.

Podsumowanie:

Dwie diody PN-to-back PN nie mogą działać jako pojedyncze BJT, ponieważ funkcjonalność tranzystora wymaga tylko półprzewodnika. Region podstawowy. Po wprowadzeniu metalu na tę ścieżkę (co reprezentują dwie diody równoległe) żadna funkcjonalność BJT nie jest możliwa.

Nie. Dwie diody z powrotem do tyłu NIE są tranzystorem. Specjalną właściwością, która czyni kanapkę PNP lub NPN tranzystorem, a nie tylko dwiema diodami, jest to, że warstwa podstawowa jest bardzo cienka. W terminologii fizyki półprzewodników w bazie nie ma dwóch oddzielnych regionów zubożenia. Regiony zubożenia z dwóch skrzyżowań nakładają się na podstawę, co jest konieczne, aby tranzystor miał swoje specjalne właściwości.

Z Wikipedii

Tranzystory można traktować jako dwie diody (złącza P – N) dzielące wspólny region, przez który mogą przenosić się mniejszościowi przewoźnicy. PNP BJT będzie działać jak dwie diody, które dzielą region katodowy typu N, a NPN jak dwie diody dzielące region anodowy typu P. Połączenie dwóch diod za pomocą przewodów nie będzie tranzystorem, ponieważ mniejszościowe nośniki nie będą w stanie dostać się z jednego złącza P – N do drugiego przez drut.

Zasadniczo półprzewodnik musi być podłączony bezpośrednio.

Warto zastanowić się nad równoważnym pytaniem dotyczącym lamp próżniowych. Dlaczego dwie lampy diodowe nie mogą działać jak trioda? Odpowiedź jest taka, że ​​aby trioda działała poprawnie, większość elektronów emitowanych przez katodę musi przejść przez siatkę siatki, aby dotrzeć do anody. Jeśli połączyłeś ze sobą dwie lampy diodowe i nazwałeś połączenie między nimi siatką, lub jeśli zrobiłeś siatkę triody w solidny kawałek folii zamiast siatki, wtedy wszystkie elektrony dotrą do siatki i zatrzymają się tam odpływa do sieci, a nie jest ponownie wysyłana do anody. Dla prawidłowego działania triody musi istnieć możliwość, aby pęd elektronów przenosił je przez siatkę, napędzany czymś więcej niż tylko potencjałem między siatką a anodą.

Efekty fizyczne w tranzystorze półprzewodnikowym są różne, ale podstawowa idea, że ​​prąd musi być w stanie ominąć drut, który w przeciwnym razie wyssałby go w środku, pozostaje ta sama.

To jest bardzo zredukowana wersja już zaakceptowanej odpowiedzi.

Metal ma inne właściwości niż półprzewodnik, więc nie zjednoczy dwóch N w jednym N. Dwie diody będą składnikiem PN-metal-NP, który nie jest składnikiem NPN. (Odwrotnie dla PNP.)

(Jeśli pokroisz podstawę tranzystora cienką blachą, przestanie ona działać).

BJT opiera się na zasadzie dyfuzji (nośników opłat mniejszościowych).

Działa tylko wtedy, gdy grubość podstawy jest zgodna z długością dyfuzji .

Nie można tego osiągnąć, podłączając dwie dyskretne diody.

Nie, ponieważ do wytworzenia tranzystora potrzebna jest tylko cienka warstwa między emiterem a kolektorem, ale jeśli podłączysz 2 diody z tyłu do tyłu, dostarczysz grubą warstwę, która będzie trudna do penetracji przez elektrony

Zasadniczo jedna z diod wyłączy się z powodu różnicy napięcia w emiterze bazowym lub kolektorze (0,7 w dowolnej konfiguracji). Podejście bliższe będzie zenera i dwóch diod, ale nadal nie będzie działać jako tranzystor ani nic użytecznego. Trudno mi to wytłumaczyć, ale odpowiedź można znaleźć w zrozumieniu, jak wyeliminować spadek napięcia na diodzie , co rzadko znajduje się w książkach, ale jest niezwykle ważne. Teraz spróbuj wyobrazić sobie baterię 0,7 V równolegle z diodą podłączoną do sygnału, a następnie zacznie przewodzić od 0 i zapadnie się w 0 (nie typowo -0,7). Cóż, jest coś więcej, ale staram się tylko gdzieś wskazać.