Zum einen werden Löcher nicht durch Metalldrähte geführt.
Dmitry Grigoryev
Antworten:
60
Viele Leute denken, dass die Antwort auf diese Frage mit der Breite des Basisbereichs in BJT-Transistoren zusammenhängt - sie ist falsch. Die Antwort wurde ziemlich lang. Sie können ab dem Abschnitt "Heikle Frage" lesen, ob Sie das Endergebnis wollen.
Ich glaube, Sie wurden aufgrund des folgenden Bildes dazu gebracht, diese Frage zu stellen:
Dies ist eine Standardpraxis für das Unterrichten der Grundlagen von BJT, kann jedoch jemanden verwirren, der mit der Halbleitertheorie im Detail nicht vertraut ist.
Um Ihre Frage auf einem akzeptablen Niveau zu beantworten, muss ich davon ausgehen, dass Sie mit den Funktionsprinzipien der PN-Diode vertraut sind. Diese Referenz enthält eine detaillierte Diskussion der PN-Übergänge.
Die Antwort betrifft NPN-Transistoren, sie gilt jedoch auch für PNP-Transistoren nach einer geeigneten Änderung der Polarität.
NPN im vorwärtsaktiven Betriebsmodus:
Die "nützlichste" Betriebsart des BJT-Transistors heißt "vorwärtsaktiv":
NPN ist im vorwärtsaktiven Modus, wenn:
VBE≈0.6V
VCB>0
IEnIB1=IEpn++p
Es ist zu beachten, dass die in den Emitter injizierten Löcher von der Basiselektrode (Basisstrom) gespeist werden, wohingegen die in die Basis injizierten Elektronen von der Emitterelektrode (Emitterstrom) gespeist werden. Das Verhältnis zwischen diesen Strömen macht BJT zu einem Stromverstärker. Ein geringer Strom am Basisanschluss kann einen viel höheren Strom am Emitteranschluss verursachen. Die herkömmliche Stromverstärkung ist als Stromverhältnis Kollektor zu Basis definiert, aber es ist das Verhältnis zwischen den obigen Strömen, das jede Stromverstärkung ermöglicht.
IC
Wenn nun all diese Elektronen, die vom Emitter injiziert wurden, zu dem in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Übergang diffundieren könnten, ohne anderen Effekten ausgesetzt zu sein, wäre die Breite des Basisbereichs überhaupt nicht von Bedeutung. In der Basis findet jedoch eine Rekombination statt.
IB2
Das Obige bedeutet, dass je mehr Elektronen während der Diffusion durch den Basisbereich rekombinieren, desto geringer ist die Stromverstärkung des Transistors. Es ist Sache des Herstellers, die Rekombination zu minimieren, um einen funktionierenden Transistor bereitzustellen.
Es gibt viele Faktoren, die die Rekombinationsraten beeinflussen, aber einer der wichtigsten ist die Breite von Base. Es ist offensichtlich, dass je breiter die Basis ist, desto länger wird es dauern, bis Elektronen injiziert werden, um durch die Basis zu diffundieren. Hersteller neigen dazu, BJTs mit sehr kurzen Basen herzustellen.
Warum können also nicht zwei PN-Dioden Back-to-Back als eine einzige NPN fungieren?
Die obige Diskussion erklärte, warum Base kurz sein muss. PN-Dioden haben (normalerweise) keine kurzen Bereiche, daher ist die Rekombinationsrate sehr hoch und die Stromverstärkung ist ungefähr eins. Was bedeutet das? Dies bedeutet, dass der Strom am "Emitter" -Anschluss gleich dem Strom am "Basis" -Anschluss ist und der Strom am "Kollektor" Null ist:
Die Dioden funktionieren als eigenständige Geräte, nicht als einzelne BJT!
Schwierige Frage:
p
Diese Frage ist schwieriger zu beantworten, da die einfache Antwort "Nein, die Basis von BJT ist sehr kurz" nicht mehr zutreffend ist.
Es hat sich herausgestellt, dass dieser Ansatz nicht dazu führt, dass zwei Dioden ein ähnliches Verhalten wie ein einzelner NPN-Transistor aufweisen. Der Grund ist, dass bei einem Metallkontakt der Diode, bei dem Metall und Halbleiter in Kontakt sind, alle überschüssigen Elektronen mit den vom Kontakt gelieferten "Löchern" "rekombinieren". Es ist nicht die übliche Rekombination, da Metalle keine Löcher haben, aber die feine Unterscheidung ist nicht so wichtig - sobald die Elektronen in Metall eintreten, kann keine Transistorfunktionalität erreicht werden.
Die alternative Art, den obigen Punkt zu verstehen, besteht darin, zu realisieren, dass die Kollektor-Basis-Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, aber immer noch hohen Strom leitet. Diese Betriebsart kann nicht mit eigenständigen PN-Dioden erreicht werden, die unter Sperrvorspannung vernachlässigbare Ströme leiten. Der Grund für diese Einschränkung ist der gleiche - überschüssige Elektronen von der P-Seite der in Durchlassrichtung vorgespannten Diode können nicht durch den Metalldraht in "BJT-artiger Diodenkonfiguration" zur P-Seite der in Sperrrichtung vorgespannten Diode gewobbelt werden. Stattdessen werden sie zur Stromversorgung gewobbelt und liefern eine Vorspannung an den gemeinsamen Anschluss der Dioden.
Es gab eine Folgefrage, in der nach einer genaueren Begründung für die beiden obigen Absätze gefragt wurde. Die Antwort betrifft Metall-Halbleiter - Schnittstellen und kann gefunden werden hier .
Was das Obige bedeutet, ist, dass die Erörterung der Breite des Basisbereichs mit der Erörterung der Wirksamkeit von BJT-Transistoren zusammenhängt und für die Erörterung von zwei aufeinanderfolgenden PN-Dioden als Ersatz für einen BJT völlig irrelevant ist.
Zusammenfassung:
Zwei Back-to-Back-PN-Dioden können nicht als ein einziger BJT fungieren, da die Funktionalität des Transistors nur den Basisbereich eines Halbleiters erfordert. Sobald ein Metall in diesen Pfad eingeführt wurde (was zwei Back-to-Back-Dioden darstellen), ist keine BJT-Funktionalität möglich.
Ich habe den Unterschied als einen Unterschied der Geometrie angesehen (nach meinem Verständnis sind BJTs im Allgemeinen nicht symmetrisch, sondern haben den Emitter in der Mitte, umgeben von dem Kollektor, der wiederum von der Basis umgeben ist), aber das macht Sinn transitorisches Verhalten kann Metall nicht durchdringen.
Supercat
1
@vasiliy vielen Dank für eine tolle Antwort und mich gerade. Wie ich in Ihrer Erklärung gelesen habe, scheint es, dass die Transistorwirkung auf breiteren Basen auftreten kann, aber die Stromverstärkung verringert sich aufgrund der Rekombination während der Diffusion des Basisbereichs, und das Hinzufügen von Metall stoppt die Transistorwirkung vollständig. Danke +1
Andy aka
Vielen Dank! Die wichtigsten Erkenntnisse für mich waren: (A) CB-Übergang ist aufgrund der leichteren Dotierung des Kollektors viel schwächer als EB-Übergang; (B) Es gibt hier zwei Arten von Strom: 1) angetrieben von freien Elektronen, die sich bewegen, wie sie wollen; 2) getrieben von gebundenen Elektronen, die von Loch zu Loch springen. Die freien Elektronen haben nicht viel Probleme, den schwächeren CB-Übergang zu passieren, sobald sie EB passiert haben.
Akhmed
20
Nein. Zwei Back-to-Back-Dioden sind KEINE Transistoren. Die besondere Eigenschaft, die ein PNP- oder NPN-Sandwich zu einem Transistor macht, ist, dass die Basisschicht sehr dünn ist. In der Halbleiterphysik gibt es keine zwei getrennten Verarmungsbereiche in der Basis. Die Verarmungsbereiche der beiden Übergänge überlappen sich in der Basis, was erforderlich ist, damit der Transistor seine besonderen Eigenschaften besitzt.
Erklärt immer noch nicht, warum es nicht funktioniert.
Curd
4
@Curd: Das tut es, aber anscheinend nicht auf dem Niveau, das Sie wissen wollen. Ich könnte mit Basisstrom antworten, der Träger in die Basisregion injiziert, aber dann könnte man fragen, warum die Träger benötigt werden usw. Wir müssen irgendwo anhalten. Eine grobe Frage bekommt eine grobe Antwort.
Olin Lathrop
5
Mir fehlt nur das Schlüsselwort "Diffusion", das das Grundprinzip eines BJT ist und auch erklärt, warum es eine dünne Basis erfordert (siehe meine Antwort).
Curd
2
Im aktiven Modus und im Sättigungsmodus sind die beiden Verarmungsbereiche getrennt. Bei aktivem EB ist der Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und der CB-Übergang ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt.
Platzhalter
7
Aus Wikipedia
Transistoren können als zwei Dioden (PN-Übergänge) betrachtet werden, die sich einen gemeinsamen Bereich teilen, durch den sich Minoritätsträger bewegen können. Ein PNP-BJT funktioniert wie zwei Dioden, die sich einen Kathodenbereich vom N-Typ teilen, und der NPN wie zwei Dioden, die sich einen Anodenbereich vom P-Typ teilen. Wenn Sie zwei Dioden mit Drähten verbinden, entsteht kein Transistor, da Minoritätsträger nicht über die Drähte von einem PN-Übergang zum anderen gelangen können.
Grundsätzlich muss der Halbleiter direkt angeschlossen werden.
Warum könnten die Ladungsträger der Minderheiten nicht über das Kabel von einem PN-Übergang zum anderen gelangen?
user23564
Denn es ist ein langer Leiter statt eines kleinen Halbleiterbereichs. Die Antwort von Olin erweitert dies.
scld
3
Die Antwort ist richtig, aber Olins Antwort ist falsch. Das Problem ist nicht die Länge des Drahtes (der sehr kurz ausgeführt werden kann und dennoch keine BJT-Funktionalität erhält), sondern die Art des Metalls im Gegensatz zum Halbleiter.
Vasiliy
4
Es kann sich lohnen, über die entsprechende Frage für Vakuumröhren nachzudenken. Warum können nicht zwei hintereinanderliegende Diodenröhren als Triode fungieren? Die Antwort lautet: Damit eine Triode richtig funktioniert, müssen die meisten von der Kathode emittierten Elektronen das Gitter durchdringen, um zur Anode zu gelangen. Wenn Sie zwei Diodenröhren miteinander verbunden und die Verbindung zwischen ihnen als Gitter bezeichnet haben oder wenn Sie das Gitter einer Triode in einen festen Folienstück anstelle eines Gitters verwandelt haben, würden alle Elektronen es bis zum Gitter schaffen und anhalten Dort wird es in das Stromnetz eingespeist, anstatt wieder emittiert zu werden, um zur Anode zu gelangen. Für den korrekten Betrieb einer Triode muss es eine Möglichkeit geben, dass der Impuls der Elektronen sie direkt durch das Gitter transportiert, angetrieben durch mehr als nur das Potential zwischen dem Gitter und der Anode.
Die physikalischen Effekte in einem Halbleitertransistor sind unterschiedlich, aber die Grundidee, dass Strom in der Lage sein muss, den Draht zu umgehen, der ihn sonst in der Mitte heraussaugen würde, bleibt gleich.
Sind Vakuumröhren JFETs nicht ähnlicher als Bipolartransistoren? In einer Röhre wirkt das Gate als Anode, und wenn die Gitterspannung negativer wird, stößt es die Elektronen ab, die ihren Fluss einschränken. Zwischen Anode und Gitter befindet sich keine Diode. Das Schema hier wäre ................................ (A) ---> | --- (C ) --- | <--- (G) ist der gemeinsame Punkt eher die Kathode als das Gitter.
Oskar Skog
1
Dies ist eine sehr reduzierte Version der bereits akzeptierten Antwort.
Metall hat andere Eigenschaften als der Halbleiter, so dass es die beiden N nicht zu einem einzigen N vereinigt. Die beiden Dioden sind eine PN-Metall-NP-Komponente, die keine NPN-Komponente ist. (Umgekehrt für PNP.)
(Wenn Sie die Basis eines Transistors mit einem dünnen Blech abschneiden, funktioniert er nicht mehr.)
Sie sollten das Zusammenspiel zwischen Diffusion und Lebensdauer der Minoritätsträger erwähnen.
Platzhalter
0
Nein, denn für die Herstellung eines Transistors ist nur eine dünne Schicht zwischen Emitter und Kollektor erforderlich. Wenn Sie jedoch zwei Dioden hintereinander anschließen, entsteht eine dicke Schicht, in die die Elektronen nur schwer eindringen können
Grundsätzlich schaltet eine der Dioden aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen Basis-Emitter und Kollektor ab (0,7 in jeder Konfiguration). Eine nähere Annäherung wird ein Zener und zwei Dioden sein, aber immer noch nicht als Transistor oder irgendetwas Nützliches funktionieren . Ich bin schrecklich zu erklären, aber die Antwort kann im Verstehen gefunden werden, wie man Spannungsabfall über einer Diode beseitigt , etwas, das selten in Büchern gefunden wird, aber extrem wichtig ist. Versuchen Sie nun, sich eine 0,7-V-Batterie parallel zu einer Diode vorzustellen, die an ein Signal angeschlossen ist. Dann leitet sie ab 0 und kollabiert bei 0 (nicht die typische -0,7). Nun, es gibt mehr als das, aber ich versuche nur, Sie irgendwohin zu lenken.
Antworten:
Viele Leute denken, dass die Antwort auf diese Frage mit der Breite des Basisbereichs in BJT-Transistoren zusammenhängt - sie ist falsch. Die Antwort wurde ziemlich lang. Sie können ab dem Abschnitt "Heikle Frage" lesen, ob Sie das Endergebnis wollen.
Ich glaube, Sie wurden aufgrund des folgenden Bildes dazu gebracht, diese Frage zu stellen:
Dies ist eine Standardpraxis für das Unterrichten der Grundlagen von BJT, kann jedoch jemanden verwirren, der mit der Halbleitertheorie im Detail nicht vertraut ist.
Um Ihre Frage auf einem akzeptablen Niveau zu beantworten, muss ich davon ausgehen, dass Sie mit den Funktionsprinzipien der PN-Diode vertraut sind. Diese Referenz enthält eine detaillierte Diskussion der PN-Übergänge.
Die Antwort betrifft NPN-Transistoren, sie gilt jedoch auch für PNP-Transistoren nach einer geeigneten Änderung der Polarität.
NPN im vorwärtsaktiven Betriebsmodus:
Die "nützlichste" Betriebsart des BJT-Transistors heißt "vorwärtsaktiv":
NPN ist im vorwärtsaktiven Modus, wenn:
Es ist zu beachten, dass die in den Emitter injizierten Löcher von der Basiselektrode (Basisstrom) gespeist werden, wohingegen die in die Basis injizierten Elektronen von der Emitterelektrode (Emitterstrom) gespeist werden. Das Verhältnis zwischen diesen Strömen macht BJT zu einem Stromverstärker. Ein geringer Strom am Basisanschluss kann einen viel höheren Strom am Emitteranschluss verursachen. Die herkömmliche Stromverstärkung ist als Stromverhältnis Kollektor zu Basis definiert, aber es ist das Verhältnis zwischen den obigen Strömen, das jede Stromverstärkung ermöglicht.
Wenn nun all diese Elektronen, die vom Emitter injiziert wurden, zu dem in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Übergang diffundieren könnten, ohne anderen Effekten ausgesetzt zu sein, wäre die Breite des Basisbereichs überhaupt nicht von Bedeutung. In der Basis findet jedoch eine Rekombination statt.
Das Obige bedeutet, dass je mehr Elektronen während der Diffusion durch den Basisbereich rekombinieren, desto geringer ist die Stromverstärkung des Transistors. Es ist Sache des Herstellers, die Rekombination zu minimieren, um einen funktionierenden Transistor bereitzustellen.
Es gibt viele Faktoren, die die Rekombinationsraten beeinflussen, aber einer der wichtigsten ist die Breite von Base. Es ist offensichtlich, dass je breiter die Basis ist, desto länger wird es dauern, bis Elektronen injiziert werden, um durch die Basis zu diffundieren. Hersteller neigen dazu, BJTs mit sehr kurzen Basen herzustellen.
Warum können also nicht zwei PN-Dioden Back-to-Back als eine einzige NPN fungieren?
Die obige Diskussion erklärte, warum Base kurz sein muss. PN-Dioden haben (normalerweise) keine kurzen Bereiche, daher ist die Rekombinationsrate sehr hoch und die Stromverstärkung ist ungefähr eins. Was bedeutet das? Dies bedeutet, dass der Strom am "Emitter" -Anschluss gleich dem Strom am "Basis" -Anschluss ist und der Strom am "Kollektor" Null ist:
simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab
Die Dioden funktionieren als eigenständige Geräte, nicht als einzelne BJT!
Schwierige Frage:
Diese Frage ist schwieriger zu beantworten, da die einfache Antwort "Nein, die Basis von BJT ist sehr kurz" nicht mehr zutreffend ist.
Es hat sich herausgestellt, dass dieser Ansatz nicht dazu führt, dass zwei Dioden ein ähnliches Verhalten wie ein einzelner NPN-Transistor aufweisen. Der Grund ist, dass bei einem Metallkontakt der Diode, bei dem Metall und Halbleiter in Kontakt sind, alle überschüssigen Elektronen mit den vom Kontakt gelieferten "Löchern" "rekombinieren". Es ist nicht die übliche Rekombination, da Metalle keine Löcher haben, aber die feine Unterscheidung ist nicht so wichtig - sobald die Elektronen in Metall eintreten, kann keine Transistorfunktionalität erreicht werden.
Die alternative Art, den obigen Punkt zu verstehen, besteht darin, zu realisieren, dass die Kollektor-Basis-Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, aber immer noch hohen Strom leitet. Diese Betriebsart kann nicht mit eigenständigen PN-Dioden erreicht werden, die unter Sperrvorspannung vernachlässigbare Ströme leiten. Der Grund für diese Einschränkung ist der gleiche - überschüssige Elektronen von der P-Seite der in Durchlassrichtung vorgespannten Diode können nicht durch den Metalldraht in "BJT-artiger Diodenkonfiguration" zur P-Seite der in Sperrrichtung vorgespannten Diode gewobbelt werden. Stattdessen werden sie zur Stromversorgung gewobbelt und liefern eine Vorspannung an den gemeinsamen Anschluss der Dioden.
Es gab eine Folgefrage, in der nach einer genaueren Begründung für die beiden obigen Absätze gefragt wurde. Die Antwort betrifft Metall-Halbleiter - Schnittstellen und kann gefunden werden hier .
Was das Obige bedeutet, ist, dass die Erörterung der Breite des Basisbereichs mit der Erörterung der Wirksamkeit von BJT-Transistoren zusammenhängt und für die Erörterung von zwei aufeinanderfolgenden PN-Dioden als Ersatz für einen BJT völlig irrelevant ist.
Zusammenfassung:
Zwei Back-to-Back-PN-Dioden können nicht als ein einziger BJT fungieren, da die Funktionalität des Transistors nur den Basisbereich eines Halbleiters erfordert. Sobald ein Metall in diesen Pfad eingeführt wurde (was zwei Back-to-Back-Dioden darstellen), ist keine BJT-Funktionalität möglich.
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Nein. Zwei Back-to-Back-Dioden sind KEINE Transistoren. Die besondere Eigenschaft, die ein PNP- oder NPN-Sandwich zu einem Transistor macht, ist, dass die Basisschicht sehr dünn ist. In der Halbleiterphysik gibt es keine zwei getrennten Verarmungsbereiche in der Basis. Die Verarmungsbereiche der beiden Übergänge überlappen sich in der Basis, was erforderlich ist, damit der Transistor seine besonderen Eigenschaften besitzt.
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Aus Wikipedia
Grundsätzlich muss der Halbleiter direkt angeschlossen werden.
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Es kann sich lohnen, über die entsprechende Frage für Vakuumröhren nachzudenken. Warum können nicht zwei hintereinanderliegende Diodenröhren als Triode fungieren? Die Antwort lautet: Damit eine Triode richtig funktioniert, müssen die meisten von der Kathode emittierten Elektronen das Gitter durchdringen, um zur Anode zu gelangen. Wenn Sie zwei Diodenröhren miteinander verbunden und die Verbindung zwischen ihnen als Gitter bezeichnet haben oder wenn Sie das Gitter einer Triode in einen festen Folienstück anstelle eines Gitters verwandelt haben, würden alle Elektronen es bis zum Gitter schaffen und anhalten Dort wird es in das Stromnetz eingespeist, anstatt wieder emittiert zu werden, um zur Anode zu gelangen. Für den korrekten Betrieb einer Triode muss es eine Möglichkeit geben, dass der Impuls der Elektronen sie direkt durch das Gitter transportiert, angetrieben durch mehr als nur das Potential zwischen dem Gitter und der Anode.
Die physikalischen Effekte in einem Halbleitertransistor sind unterschiedlich, aber die Grundidee, dass Strom in der Lage sein muss, den Draht zu umgehen, der ihn sonst in der Mitte heraussaugen würde, bleibt gleich.
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Dies ist eine sehr reduzierte Version der bereits akzeptierten Antwort.
Metall hat andere Eigenschaften als der Halbleiter, so dass es die beiden N nicht zu einem einzigen N vereinigt. Die beiden Dioden sind eine PN-Metall-NP-Komponente, die keine NPN-Komponente ist. (Umgekehrt für PNP.)
(Wenn Sie die Basis eines Transistors mit einem dünnen Blech abschneiden, funktioniert er nicht mehr.)
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Ein BJT stützt sich auf das Prinzip der Diffusion (von Minoritätsladungsträgern).
Dies funktioniert nur, wenn die Dicke der Basis in der Größenordnung der Diffusionslänge liegt .
Dies kann nicht durch Verbinden zweier diskreter Dioden erreicht werden.
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Nein, denn für die Herstellung eines Transistors ist nur eine dünne Schicht zwischen Emitter und Kollektor erforderlich. Wenn Sie jedoch zwei Dioden hintereinander anschließen, entsteht eine dicke Schicht, in die die Elektronen nur schwer eindringen können
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Grundsätzlich schaltet eine der Dioden aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen Basis-Emitter und Kollektor ab (0,7 in jeder Konfiguration). Eine nähere Annäherung wird ein Zener und zwei Dioden sein, aber immer noch nicht als Transistor oder irgendetwas Nützliches funktionieren . Ich bin schrecklich zu erklären, aber die Antwort kann im Verstehen gefunden werden, wie man Spannungsabfall über einer Diode beseitigt , etwas, das selten in Büchern gefunden wird, aber extrem wichtig ist. Versuchen Sie nun, sich eine 0,7-V-Batterie parallel zu einer Diode vorzustellen, die an ein Signal angeschlossen ist. Dann leitet sie ab 0 und kollabiert bei 0 (nicht die typische -0,7). Nun, es gibt mehr als das, aber ich versuche nur, Sie irgendwohin zu lenken.
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