Gesättigte BJT-Transistoren.

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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.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab

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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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.

Trevor_G
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Hilft es, sich die Elektronen als Aufbaudynamik vorzustellen, wenn sie über Vbe beschleunigen, wodurch sie vollständig durch den (sehr engen) Basisbereich in den Kollektor gelangen? (wie Freilauf auf Ihrem Fahrrad bergab und den nächsten (kleineren) Hügel hinauf, ohne die Rechtskurve auf eine schmale Strecke unten zu nehmen?
Brian Drummond
Sieht so aus, als müssten Sie möglicherweise einige Abstraktionsebenen herabsteigen ...
Eugene Sh.
@BrianDrummond ya das sind die klassischen handgewellten Antworten, über die ich gesprochen habe, die die Grundgesetze von EE umgehen. Dass sie irgendwie ohne und ohmschen Effekt
vorbeikommen
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Ja. Sie haben einen Basisemitterstrom. Sie haben einen Basiskollektorstrom. Und Sie haben Kollektor-Emitter-Strom. Der Basiskollektorstrom ist niedrig, bis Sie in die Sättigung gehen. Der Grund für den Anstieg des Basisstroms (bei konstant gehaltenem Ic) bei der Sättigung ist, dass ein Teil des Stroms eine Abkürzung zur Basis nimmt, indem er stattdessen zum Kollektor geht.
Mkeith
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Es könnte interessant sein, einen niederwertigen Widerstand zwischen Kollektor und Masse zu legen und zu messen, wie viel Strom durch den Kollektor gegen den erwarteten Pfad (durch den geerdeten Emitter) zur Erde fließt.
Spehro Pefhany

Antworten:

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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.

Jonathan S.
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Jonathon, das ist alles sehr gut und klassisch, aber es erklärt nicht, wie man eine Schicht in der Mitte haben kann, die eine höhere Spannung hat als die darüber.
Trevor_G
@Trevor_G In einem Halbleiter gibt es nicht wirklich "Spannungen". Es gibt elektrische Felder, aber einzelne Elektronen können viele verschiedene Energieniveaus haben, obwohl sie sich im selben Bereich des Kristalls befinden. Wenn das nicht der Fall wäre, gäbe es keine Bandlücken und daher keine Halbleiter. Ein Elektron hat nicht einmal eine Spannung.
Jonathan S.
@ JonathanS.: Siehe meine Antwort. Um die Details zu verstehen, über die Trevor spricht, muss man verstehen, dass die mit der Basis verbundenen Felder / Spannungen über ihren Bereich nicht konstant sind, insbesondere während der Sättigung.
Dave Tweed
Ich habe das alles schon einmal gelesen, es erklärt immer noch nicht, wie die Spannung am Kollektor niedriger sein kann, sondern nur, wie Elektronen es durch die Verarmungsbereiche schaffen. Obwohl Sie sich kurz dem Tunnelbau entzogen haben.
Trevor_G
@Trevor_G Die Basis ist positiv dotiert, der Kollektor leicht negativ. Da die Basis im Vergleich zur Diffusionslänge der Elektronen klein ist, können wir davon ausgehen, dass nach der Diffusion eine gleiche Menge Elektronen pro Fläche in der Basis und im Kollektor "landet". Da der Kollektor bereits negativ dotiert ist, hat er eine größere Elektronenkonzentration als die Basis, wodurch er eine niedrigere Spannung aufweist.
Jonathan S.
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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 0.7V0.4V

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?

VBEVCB+VCE=0
IC+IB+IE=0,
wobei ich beim Eintritt in die Klemmen die Klemmenströme als positiv angenommen habe.

VBEIB+VCEIC>0.

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.

Massimo Ortolano
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Vielen Dank, dass Sie Ihre Antwort kopiert haben. Ich habe das Duplikat gelöscht, bevor Ihre Antwort entschuldigt wurde.
Trevor_G
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Es scheint, dass der Ursprung der Verwirrung darin besteht, dass Strom nur ein Driftstrom sein kann. Der Diffusionsstrom muss nicht dem elektrischen Feld gehorchen, sondern es ist die Tatsache, dass er trotz eines entgegengesetzten elektrischen Feldes fließen kann , wodurch Transistoren in der Lage sind, ... Transistoren zu betreiben.
Sredni Vashtar
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@Trevor_G Aus Ihren Kommentaren geht hervor, dass Sie glauben, dass der Elektronentransport nur durch das elektrische Feld, dh den Gradienten des elektrischen Potentials, angetrieben wird. Tatsächlich treibt der Elektronentransport das elektrochemische Potential an , das die Inhomogenität des Systems aufgrund der unterschiedlichen Trägerkonzentrationen über die Übergänge berücksichtigt. Es ist diese Inhomogenität, die den Diffusionsstrom erzeugt.
Massimo Ortolano
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@Trevor_G, Wie Massimo sagte, ist es der Konzentrationsgradient, der einen Diffusionsstrom erzeugt. Ähnlich kann sich ein Gas trotz der Schwerkraft nach oben ausdehnen . Elektronen in einem Halbleiter sind eher wie ein Gas (Sie können sie mit einer Pumpe bewegen, aber sie können sich auch aufgrund eines Konzentrationsgradienten bewegen), während sie in einem Leiter eher wie eine Flüssigkeit sind (da sie inkompressibel sind, benötigen Sie eine Pumpe, um sie herzustellen es bewegt sich). Mir scheint, Sie fragen sich: Wie kann ich dieses Gas bewegen, ohne dass eine Pumpe in diese Richtung drückt?
Sredni Vashtar
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Wenn Sie es irgendwie geschafft haben, diese Diffusionsstromkomponente zu entfernen, indem Sie beispielsweise eine Leiterschicht in die Mitte der Basis gelegt haben, würden Sie dieses Gas sofort in einer Flüssigkeit "kondensieren", die durch Herausfegen aus der Basis töten würde die Transistorwirkung. Sie werden am Ende zwei Dioden hintereinander haben, und in diesem Fall wäre Ihr Einwand gegen Potentiale gültig. Das Problem ist, dass Sie nicht die gleichen Werte für Strom und Potentiale erreichen können, die Sie in einem Transistor haben.
Sredni Vashtar
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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.

Dave Tweed
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Ja, ich dachte, das könnte auch so etwas sein, aber dann wurde mir klar, dass wenn dies der Fall wäre, die weiter entfernten Punkte nicht vorwärts voreingenommen und nicht leitend wären, so dass die Idee irgendwie auseinander fällt.
Trevor_G
Nein, es fällt nicht auseinander. Es gibt keinen Grund, warum einige Regionen nicht vorwärtsgerichtet sein können, andere nicht. Hören Sie auf, in konzentrierten Schaltungselementen zu denken - die Felder innerhalb eines Transistors variieren kontinuierlich, insbesondere während der Sättigung. Die Teile, die nicht vorwärtsgerichtet sind, funktionieren auf die "klassische" Weise, die Jonathan S. beschrieben hat.
Dave Tweed
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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.

John Birckhead
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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.

RoyC
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Wirklich interessante Frage, machst du daraus eine Serie :).
RoyC
Danke für die Beschreibung und das Fragenkompliment. Der Teil "Sie werden von einer positiven Spannung am Kollektor erfasst" ist einer von denen ... denken Sie jedoch nicht zu viel darüber nach. Da es sich um eine in Sperrrichtung vorgespannte Diode handelt, sollten sich auf der Basisseite aufgestapelte Elektronen diesen Diodenmodus ausschalten und nicht einschalten. Um es einzuschalten, brauchen wir Löcher, um uns dort zu stapeln. Nicht Elektronen oder Elektronen, um sich auf der Kollektorseite des Übergangs zu stapeln. Etwas passt nicht zusammen.
Trevor_G
Nein, es ist keine Diode, wenn es eine Diode wäre, würden sich dort Löcher ansammeln, keine Elektronen. Deshalb macht es keinen Transistor, wenn zwei Dioden in Reihe geschaltet sind.
RoyC
:) Ja, das verstehe ich, aber nach der klassischen Theorie gibt es immer noch eine Verbindungsbarriere zwischen Basis und Kollektor. Was es von Back-to-Back-Dioden unterscheidet, ist, dass es nur eine einzige, sehr dünne zentrale Anode oder Kathode gibt. Es ist in der Tat interessant, bei weitem nicht so klar wie das einfache Modell, das wir akzeptieren.
Trevor_G
Der Punkt ist, dass es unmöglich ist, einen Diodenverarmungsbereich am CB-Übergang in Gegenwart von Elektronenmassen zu bilden. In einer normalen Diode hätten Sie nur Löcher auf der P-Seite des Übergangs, und diese würden vom Feld vom Übergang weggezogen. Die Elektronen werden über den Übergang gezogen, wodurch Sie den Kollektorstrom erhalten.
RoyC
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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]

wbeaty
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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 verringernR.C.E.
  • 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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

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

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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Worin besteht das Problem? Die
Basisspannung
Keine intelligente Widerlegung -1
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75