Lochfluss im Transistor?

Bipolartransistoren sollen sowohl Elektronenfluss als auch Lochfluss haben. Die Bewegung von Elektronen kann verstanden werden, aber Löcher sind fester Bestandteil der Atom- / Kristallstruktur. Wie können wir ihre Bewegung charakterisieren?

Löcher sind Räume, in denen sich ein Elektron befinden könnte, dies aber derzeit nicht ist. Wie bei jedem Loch in der makroskopischen Welt kann man kein Loch bewegen. Es ist eine Abwesenheit. Alles was Sie tun können, ist das Loch zu füllen, wodurch irgendwo anders ein neues Loch entsteht. Wir können dies in gewisser Weise als ein imaginäres Teilchen modellieren, das von den Elektronen in die entgegengesetzte Richtung fließt (und somit in die gleiche Richtung wie der Strom), aber es gibt kein tatsächliches Teilchen, das sich in diese Richtung bewegt. Wie die meisten Modelle ist es eine praktische Fiktion, die die Mathematik erleichtert.

Eine gute Möglichkeit, sich das vorzustellen, besteht darin, sich eine geneigte Rampe mit einer Rille voller Murmeln am Hang der Rampe vorzustellen. Wenn Sie den unteren Marmor entfernen, verschiebt sich der Stapel hinter allen nach unten und oben auf dem Stapel erscheint ein Loch.

Während es in Kristallen wahr ist, dass der Ladungsträgermechanismus Elektronen sind, sind Löcher mehr als nur ein konzeptioneller Platzhalter. Alle Gleichungen funktionieren mit Löchern genauso gut wie mit Elektronen. Sie können die Berechnungen durchführen und die effektive Masse der Löcher und die Beweglichkeit der Löcher bestimmen (die in Si etwa 2,5-mal langsamer ist als Elektronen). Sie sollten also nicht davon ausgehen, dass sie nicht real sind, sondern dass sie keine echten Auswirkungen haben.

So was:

A BCDEFG
 ^ here is a hole between two letters

Jetzt schau es dir "bewegen" an:

AB CDEFG (Actually, B moved left)
ABC DEFG (C moved left)
ABCD EFG
ABCDE FG
ABCDEF G

Die Löcher bewegen sich nicht wirklich, aber es scheint so. Wenn sich ein Elektron bewegt, schließt sich ein Loch und ein anderes öffnet sich in der Nähe.

Immer wenn sich ein Buchstabe um ein Feld nach links bewegt, bewegt sich ein Loch auch um ein Feld nach rechts. Wir können diese Situation als eine Bewegung von Buchstaben nach links oder als eine Bewegung von Löchern nach rechts betrachten. Es ist gleichwertig.

Es ist zu beachten, dass in der Elektronik Strom normalerweise als ein Fluss positiver Ladungen von einem Knoten mit einer positiveren Spannung zu einem Knoten mit einer negativeren Spannung beschrieben wird. Dies nennt man konventionellen Strom . Der reale Strom besteht jedoch tatsächlich aus Elektronen, die von negativ nach positiv wechseln. Diese Umkehrung spielt keine Rolle, da Strom nur eine mathematische Abstraktion ist. Alle Gleichungen, die das Geräteverhalten beschreiben, funktionieren einwandfrei.

Wissenschaftler haben Ladungen willkürlich "positive" und "negative" Markierungen zugewiesen, lange bevor die Struktur des Atoms bekannt war. So stellte sich erst später heraus, dass die Ladungen, die sich tatsächlich durch Leiter bewegen, als "negativ" bezeichnet wurden.

HALBLEITER, DIODEN UND TRANSISTOREN

ELEKTRONEN UND LÖCHER

Stellen wir uns eine Reihe von Pennys vor, die in einer Reihe angeordnet sind und sich über einen Tisch berühren. Bewegen Sie den Penny am rechten Ende einen Penny nach rechts und lassen Sie eine Lücke. Bewegen Sie dann den Penny weiter links von der Lücke in den Raum. Während Sie fortfahren, haben sich alle Pennys nach rechts bewegt, und die Lücke hat sich über den Tisch nach links bewegt. Stellen Sie sich nun die Pennys als Elektronen vor, und Sie können sehen, wie Elektronen, die sich in eine Richtung über einen Halbleiter bewegen, dazu führen, dass sich Löcher in die entgegengesetzte Richtung bewegen.

Um die Analogie zu erweitern, könnten wir kleine Haufen Pennys verwenden, also müssen sich viele nach rechts bewegen, bevor sich ein Loch nach links bewegt. Oder wir könnten ein paar Pfennige und viel Platz haben, damit sich die Löcher leicht bewegen, wenn die spärlichen Pfennige über die weiten Lücken bewegt werden. Diese beiden Fälle modellieren die beiden Formen von dotiertem Silizium, viele Elektronen hinzugefügt und wir haben N-Typ, viele Löcher (Elektronen entfernt) und wir haben P-Typ. Die Typen werden durch Mischen (Dotieren) des Siliziums mit kleinen Mengen anderer Metalle erreicht.

Da sich die Elektronen durch die Atome eines Halbleiters kämpfen müssen, ist sein spezifischer Widerstand relativ hoch. Frühe Halbleiter verwendeten Germanium, aber bis auf Sonderfälle ist Silizium heutzutage die universelle Wahl.

Kupferdraht kann so dargestellt werden, dass er große Stapel von Penny-Elektronen aufweist, die alle nahe beieinander liegen. Ein Strom ist also die Bewegung der wenigen Pennys an der Spitze der Stapel, es werden überhaupt keine Löcher erzeugt. Da so viele für den Strom verfügbar sind, ist der spezifische Widerstand bekanntlich niedrig.

DIODE

Die gebräuchlichste Halbleiterdiode (es gibt andere spezialisierte Typen) hat einen Übergang zwischen dem N-Typ und dem P-Typ. Wenn an die Diode eine Spannung angelegt wird, die positiv zum N-Typ-Ende und negativ zum anderen ist, werden alle Elektronen zum positiven Ende gezogen, wobei Löcher am negativen Ende verbleiben. Mit kaum Elektronen in der Mitte kann fast kein Strom fließen. Die Diode ist "in Sperrrichtung vorgespannt"

Wenn die Spannung in die andere Richtung angelegt wird, negativ zum Ende vom N-Typ und positiv zum Ende vom P-Typ, werden Elektronen von der Mitte angezogen und können sich kreuzen, um die Löcher im P-Typ aufzuheben, und in den strömen Verbindungskabel. Am anderen Ende der negativen Spannung werden Elektronen in die Mitte der Diode abgestoßen, um durch solche ersetzt zu werden, die vom Draht einfließen, sodass insgesamt leicht ein Strom fließen kann: Die Diode ist vorwärts vorgespannt.

Die Verbindungen zu einer Diode werden als "Anode" bezeichnet, die das positive Ende ist, wenn die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, und als "Kathode", die das negative Ende ist. Ich erinnere mich analog an dieselben Begriffe für Ventile, die an der Anode eine hohe positive Spannung (HT für "High Tension" - Finger weg) benötigen, damit Strom fließt. Eine gute Mnemonik für die Polarität einer in Vorwärtsrichtung vorgespannten Diode könnte PPNN sein: "Positiv, P-Typ, N-Typ, Negativ".

Eine Varaktordiode nutzt die Tatsache aus, dass zwei getrennte Ladungsbereiche, positiv und negativ, einen Rohkondensator bilden. Daher werden speziell entwickelte Dioden hergestellt, um dies auszunutzen, wenn sie umgekehrt vorgespannt werden. Die angelegte Spannung zieht die Ladungen auseinander und bildet eine "Verarmungsschicht" zwischen den Kontakten. Durch Erhöhen der angelegten Sperrspannung wird diese Schicht dicker, wodurch die Kapazität verringert wird und umgekehrt. Varaktordioden werden üblicherweise in abgestimmten Schaltkreisen verwendet, um die Frequenz zu variieren, und ersetzen die Kondensatoren mit Flügeln, die zu Zeiten von Ventilen verwendet wurden.

BIPOLARER TRANSISTOR

Ein Bipolartransistor ist einer, dessen Betrieb sowohl von Elektronen als auch von Löchern abhängt. Es besteht aus zwei Dioden hintereinander, die sich eine gemeinsame zentrale Schicht teilen. Einer der äußeren Anschlüsse ist der Kollektor C und der andere der Emitter E. Der zentrale Anschluss ist die Basis B und Teil der CB- und BE-Dioden. Wir haben also ein dreischichtiges Sandwich. Bei normalem Gebrauch ist die Diode zwischen C und B in Sperrrichtung vorgespannt, so dass ohne das Vorhandensein der BE-Diode und ihrer Wirkung kein Strom fließen würde, da alle Elektronen bis zu einem Ende des CB-Abschnitts und die Löcher bis zu gezogen werden das andere Ende, wie bei einer Diode, durch die angelegte Spannung.

Die BE-Diode ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so dass ein Strom fließen kann, und der externe Stromkreis ist so eingerichtet, dass dieser Wert auf einen relativ kleinen Wert begrenzt wird. Es fließen jedoch immer noch viele Löcher und Elektronen durch die Basis und den Emitter.

Nun das kluge Stück. Die gemeinsame Verbindung der CB- und BE-Dioden an der Basis ist sehr dünn, sodass die Flut von Elektronen und Löchern im BE-Teil diejenigen ersetzt, die durch die Sperrspannung des Kollektors weggezogen wurden, und nun ein Strom durch diese CB-Diode fließen kann in umgekehrter Richtung und dann weiter durch den vorwärts vorgespannten BE-Übergang zum Emitter und hinaus in den externen Stromkreis.

Ich denke, es ist offensichtlich, dass man keinen Transistor herstellen kann, indem man zwei Dioden hintereinander verlötet. Die Aktion erfordert die innige gemeinsame Nutzung der dünnen Schicht im Silizium.

Der Kollektorstrom hängt davon ab, dass ein Basisstrom fließt, und der Transistor ist so ausgelegt, dass ein kleiner Strom in der BE-Diode den Weg für einen viel größeren Strom im CB-Übergang frei macht. Somit haben wir eine Stromverstärkung. Durch die Verwendung von Spannungsabfällen an externen Widerständen kann dies in eine Spannungsverstärkung umgewandelt werden.

Diese Transistoren werden "bipolar" genannt, weil sie effektiv zwei Übergänge haben.

Ich habe es sorgfältig vermieden, die Art des Materials in den CB- und BE-Dioden zu erwähnen, die Ideen sind für beide gleich, und wir können NPN oder PNP als mögliche Schichten verwenden. Der Pfeil im Symbol, der die Richtung des herkömmlichen Kollektorstroms (das Gegenteil des Elektronenflusses) anzeigt, zeigt in Richtung der negativen Seite der angelegten CE-Spannung, sodass der Strom "aus P heraus und in N an der Emitter ".

FELDEFFEKTTRANSISTOR oder FET

Es gibt viele verschiedene Designs von FETs, und dies ist ein sehr vereinfachter Blick auf ihr Grundprinzip.

Dies sind "unipolare" Transistoren, obwohl der Begriff nicht oft verwendet wird, da ihr Betrieb nur von Elektronen und elektrischen Feldern abhängt, nicht von Löchern.

Hier haben wir einen einzelnen Block aus dotiertem Silizium, den "Kanal", mit Klumpen des entgegengesetzten Typs an den Seiten oder als umlaufenden Ring. Wir haben also nur einen Diodenübergang, der als Gate G bezeichnet wird, zwischen den Klumpen oder dem Ring und dem Kanal. Der Kanal wirkt als Widerstand, wobei Strom von einem Ende, der Quelle S, zum anderen, dem Drain D, fließt. Die Verbindung zwischen Gate und Kanal ist in Sperrrichtung vorgespannt, so dass kein Strom fließt, sondern ein elektrisches Feld aufgebaut wird, das zieht Ladungen, Elektronen oder Löcher an die Seiten des Kanals und lässt weniger für den SD-Strom zur Verfügung. Somit haben wir den SD-Strom durch die Spannung am Gate gesteuert.

Beachten Sie, dass dies ein spannungsgesteuertes Gerät ist und praktisch kein Strom in das Gate oder aus dem Gate fließt. Denken Sie an das Ohmsche Gesetz: Widerstand = Volt / Ampere, und wir sehen, dass ein sehr niedriger Strom einen sehr hohen Widerstand bedeutet, so dass der FET eine sehr hohe Eingangsimpedanz haben soll - sein Hauptvorteil gegenüber Bi-Polar, wobei durch Im Gegensatz dazu wird wenig Spannung benötigt, um den Strom durch die Basis zu senden, was ihm eine niedrige Eingangsimpedanz verleiht