Gesättigte BJT-Transistoren.

Wir verwenden sie jeden Tag und Kenner verstehen die funktionellen Eigenschaften von BJT-Transistoren vollständig. Es gibt unzählige Dokumente und Links, die die Betriebsmathematik erklären. Es gibt sogar jede Menge nette Videos, die aktuelle Theorien darüber erklären, wie sie physisch funktionieren. (Die meisten letzteren werden von Leuten gegeben, die aus irgendeinem Grund "Telemarketer-Englisch" sprechen.)

Ich muss jedoch zugeben, dass ich auch nach mehr als 40 Jahren viel davon zum Nennwert akzeptieren muss, da die Beschreibung, wie der Kollektorübergang in die Gleichung passt, immer etwas wellig ist.

Abgesehen davon gibt es eine Facette, die ich wirklich nicht verstehe. Es scheint den Gesetzen der Physik zu trotzen, Kirchhoffs Gesetze et al.

Ich spreche von Ihrer Standardschaltung für gesättigte gemeinsame Emitter.

Es ist bekannt und wir akzeptieren, dass die Kollektorspannung bei Sättigung geringer ist als die Basisspannung. Wir nutzen dies offensichtlich zu unserem Vorteil in Schaltkreisen und haben Teile ausgewählt, um uns für einen bestimmten Laststrom einen möglichst niedrigen Vce-Sat zu geben.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

Alles in Ordnung und gut, bis Sie sich den typischen Modus eines typischen NPN-Transistors ansehen ...

Wie zum Teufel kann der Kollektor eine niedrigere Spannung als die Basis in diesem Sandwich haben?

Selbst wenn Sie dort eine Gegen-EMK-Spannung hinzufügen, um dies zu berücksichtigen, würde der Kollektorstrom durch den Basis-Kollektor-Übergang in die falsche Richtung fließen.

In einem Bipolartransistor hat der Emitter eine viel höhere Dotierung als die Basis. Wenn Sie eine Vorwärtsvorspannung an die Basis-Emitter-Diode anlegen, fließt Strom, und aufgrund der höheren Dotierung im Emitter fließen viel mehr Elektronen vom Emitter in die Basis als Löcher von der Basis in den Emitter.

Strom in einem Halbleiter kann über zwei Hauptmechanismen fließen: Es gibt einen "Drift" -Strom, bei dem ein elektrisches Feld Elektronen in eine bestimmte Richtung beschleunigt. Das ist die einfache Art des Stromflusses, an die wir alle gewöhnt sind. Es gibt auch einen "Diffusionsstrom", bei dem sich Elektronen von Bereichen mit höherer Elektronenkonzentration in Bereiche mit niedrigerer Konzentration bewegen, ähnlich wie Wasser, das in einen Schwamm eindringt. Diese diffundierenden Elektronen können sich jedoch nicht für immer bewegen, da sie irgendwann ein Loch treffen und sich neu verbinden. Das bedeutet, dass diffundierende (freie) Elektronen in einem Halbleiter eine Halbwertszeit und eine sogenannte Diffusionslänge haben. Dies ist die durchschnittliche Entfernung, die sie zurücklegen, bevor sie mit einem Loch rekombinieren.

Die Diffusion ist der Mechanismus, durch den ein Diodenübergang seinen Verarmungsbereich erzeugt.

Wenn nun die Basis-Emitter-Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wird der Verarmungsbereich der Basis-Emitter-Diode kleiner und Elektronen beginnen von diesem Übergang in die Basis zu diffundieren. Da der Transistor jedoch so aufgebaut ist, dass die Diffusionslänge dieser Elektronen länger als die Basis ist, können viele dieser Elektronen tatsächlich ohne Rekombination direkt durch die Basis diffundieren und am Kollektor austreten und effektiv "tunneln" durch die Basis, indem Sie nicht mit den Löchern dort interagieren. (Rekombination ist ein zufälliger Prozess und findet nicht sofort statt, weshalb Diffusion überhaupt erst existiert.)

Am Ende landen einige Elektronen durch zufällige Bewegung im Kollektor. Jetzt, wo sie dort sind, können die Elektronen nur dann in die Basis zurückkehren, wenn sie die Vorwärtsvorspannung der Basis-Kollektor-Diode überwinden, was dazu führt, dass sie sich im Kollektor "stapeln" und die Spannung dort verringern, bis sie die überwinden können Basis-Kollektor-Übergang und Rückfluss. (In Wirklichkeit ist dieser Prozess natürlich ein Gleichgewicht.)

Mit den Spannungen, die Sie an die Basis, den Emitter und den Kollektor anlegen, erzeugen Sie nur die elektrischen Felder im Halbleiter, die eine Drift der Elektronen in Richtung des Verarmungsbereichs verursachen, wodurch sich die Konzentration der Elektronen im Kristall ändert, was dann dazu führt, dass Diffusionsstrom durch den Kristall fließt Base. Während einzelne Elektronen durch die elektrischen Felder beeinflusst werden, die durch die Spannungen an den Anschlüssen des Transistors erzeugt werden, haben sie selbst keine Spannung, sondern nur Energieniveaus. Innerhalb eines Teils des Kristalls, der im Allgemeinen die gleiche Spannung aufweist, können (und werden) Elektronen unterschiedliche Energie haben. Tatsächlich können keine zwei Elektronen jemals das gleiche Energieniveau haben.

Dies erklärt auch, warum Transistoren umgekehrt arbeiten können, jedoch mit viel geringerer Stromverstärkung: Es ist für Elektronen schwieriger, in den hochdotierten Emitterbereich zu diffundieren als in den leicht dotierten Kollektor, da die Elektronenkonzentration dort bereits ziemlich hoch ist. Dies macht diesen Weg für Elektronen ungünstiger als im nicht umgekehrten Transistor, so dass mehr Elektronen direkt aus der Basis fließen und die Verstärkung geringer ist.

Wie zum Teufel kann der Kollektor eine niedrigere Spannung als die Basis in diesem Sandwich haben?

Es gibt kein physikalisches Gesetz, das verhindert, dass der Kollektor eine niedrigere Spannung als die Basis hat: anwenden $0.7\,\mathrm{V}$$0.4\,\mathrm{V}$

Daher ist Ihre eigentliche Frage wahrscheinlich: Wie kommt es, dass das physikalische Gesetz angesichts der angelegten Spannungen zulässt, dass der Kollektorstrom in den Kollektor fließt?

Dies sind die einzigen Einschränkungen, die die Physik den statischen Spannungen und Strömen im statischen Fall auferlegt. Wie Sie sehen können, gelten alle oben genannten Bedingungen für einen gesättigten BJT.

Ihre Verwirrung beruht wahrscheinlich auf der impliziten Annahme eines linearen Geräts, was ein BJT nicht ist.

Beachten Sie, dass die Basis in ihrem gesamten Bereich nicht die gleiche Spannung aufweist. Mit der Basis ist ein irreduzibler "Blech" -Widerstand verbunden, dessen externe Verbindung in gewissem Sinne notwendigerweise am Rand der Struktur liegen muss. Da es innerhalb dieses "Blattes" eine Stromverteilung gibt, gibt es auch eine Spannungsverteilung.

Bei Sättigung fließt der Strom, der in den Basisanschluss fließt, durch beide in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diodenübergänge (BE und BC) in der Nähe des Basisanschlusses. Der Strom, der zum Kollektor fließt, fließt dann durch einen anderen Teil der Basis, der weiter vom Basisanschluss entfernt ist, zum Emitter.

Im Wesentlichen ermöglicht der Spannungsabfall über dem inhärenten Basiswiderstand die Spannungsverteilung, die wir an den externen Klemmen sehen.

BJTs sind aktuelle Geräte. Im aktiven Bereich gelangen viele Elektronen des Emitters (Emitter sind stark dotiert und negativer als die Basis) in die Basis (leicht dotiert) und einige fallen in die weniger Basislöcher, diffundieren jedoch am meisten zum Kollektor und verursachen Ic . Wenn der Kollektor gesättigt ist, ist er auch negativer als die Basis, so dass er einige Elektronen zur Basis beiträgt. Da der Kollektor mehr Elektronen zur Basis beiträgt (Vbc ist positiver), ist der Kollektor-Emitter-Strom geringer. Wenn Vbc kleiner wird (Vce (sat) ist höher), kann der Sättigungsstrom höher sein. Sobald die Sättigung erreicht ist, steigt die Kollektorspannung mit dem Kollektorstrom an.

Sie können einen Transistor mit umgekehrtem Kollektor und Emitter betreiben. Da der Kollektor im Vergleich zum Emitter leicht dotiert ist, ist die Verstärkung mies, aber Vce (sat) liegt im Bereich von einem mV. In der Zeit vor dem FET haben wir diesen Ansatz verwendet, um analoge Eingänge in Sample-and-Holds usw. zu erden.

Es sind die verschiedenen Träger und verschiedenen Bewegungsarten. Apropos NPN.

Wenn Sie die Basisspannung erhöhen, bewegen sich die Löcher über die Potentialbarriere des BE-Übergangs und Sie erhalten viel mehr Elektronen zurück. Die Elektronen bewegen sich durch Diffusion über die Basis, Bewegung von einer hohen Konzentration zu einer niedrigen Konzentration, sie werden nicht durch Spannung angetrieben.

Am BC-Übergang entsteht ein Bündel freier Elektronen, die einen negativ geladenen Bereich bilden und von jeder positiven Spannung am Kollektor erfasst werden.

NICHT GLEICHRICHTENDE VERZWEIGUNGSPOTENZIALE. Das ist der Trick.

Jedem fehlt eine einfache, sehr grundlegende Tatsache. (Die meisten Lehrbücher für Anfänger vermissen dies ebenfalls. Sogar einige Ingenieurprofis scheinen keine Ahnung zu haben.) Tatsache: Übergänge haben immer eine Spannung, auch wenn sie nicht mit Strom versorgt werden , selbst wenn es sich um Metall-Silizium ohne Diodeneffekt handelt ... und selbst wenn der Übergang ist Eisen-Kupfer, Chrom-Alumel usw.

Mit anderen Worten, wenn wir alles über Dioden und Transistoren verstehen wollen, dürfen wir die Thermoelementphysik und nicht korrigierende Verbindungen nicht ignorieren. Wenn wir das tun, wird Vce unerklärlich, ein dunkles Geheimnis der Technik.

[da kommt noch mehr]

Idealerweise stimmt die Vbe mit der Vcb überein und beide leiten vorwärts mit Vce (sat) = 0 bei Imax und Ic / Ib = 10.

Wie Dave T. betonte, ist der Ausbreitungswiderstand der Vbe-Basis (auch bekannt als effektive Serie R oder ESR) nicht einheitlich, aber durch die parallele Herstellung mehrerer schmaler Basisvertiefungen verbessert sich die Leistung.

Wenn der ESR des kleineren höher dotierten BE-Übergangs höher ist als der größere ESR des CB-Übergangs, erhalten wir einen höheren Vbe als Vcb, wodurch Vce (sat) ansteigt. Die Stromverstärkung ist jetzt auf ca. 10% von max.

• Der epitaktische Prozess ist normalerweise planar als vertikal.
• Die Ionenimplantation wird für die Emitter- und Basisübergänge verwendet.
• Der Kollektoremitterstrom wird durch eine vergrabene n + -Schicht erhöht, um den CE-Widerstand oder zu verringern$R_{CE}$
• viel mehr Elektronen in die Basis als Löcher in den Emitter
• Da die Basis sehr schmal ist, wandern die meisten Emitterelektronen durch die Basis und erreichen den Kollektor

Zetex hat ungefähr 100 Prozesspatente rund um diese Epitaxietechnologie erfunden und jetzt, da Diodes Inc viele Produkte hat, obwohl teurere ähnliche Matrizengrößen mit Rce in den 10 Milliohm anstelle von veralteten TO-3-Dosen mit Rce im 1-Ohm-Bereich haben. Dies reduziert die Wärmeableitung bei hohen Strömen erheblich.

ON Semi haben auch ihre eigenen Low Vce (Sat) Teile.

Dieser SOT-23 hat ein Volumen von <13 Cent und eine max. Rce = 45 mOhm. Vce max = 12V