Warum ist Vbe eine Konstante von 0,7 für einen Transistor im aktiven Bereich?

Ich werde ein Beispiel eines einfachen Common-Emitter-Verstärkers nehmen . Vergessen Sie vorerst die Vorurteile und Dinge, aber konzentrieren Sie sich auf den Kern dieser Strecke. So wie ich es verstehe, wird eine Spannung zwischen dem Basisknoten und dem Emitterknoten variiert, die letztendlich vom Transistor verstärkt wird, wodurch eine invertierte (verstärkte Version) des ursprünglichen Signals am Kollektorknoten erscheint.

Im Moment arbeite ich an einem Buch. Sedra / Smith, Mikroelektronik.

Während des gesamten Kapitels, an dem ich arbeite, heißt es, dass in der aktiven Region angenommen wird, dass Vbe 0,7 V beträgt . Das macht für mich einfach keinen Sinn. Wie kann Vbe konstant bleiben, wenn dies selbst die Eingangsvariable für eine Verstärkerstufe ist? Dies hätte für mich möglicherweise Sinn ergeben, wenn ich eine CE-Stufe mit einem Emitterwiderstand (Emitterdegeneration) betrachtet hätte, bei der die verbleibende Spannung über dem Widerstand abfallen könnte. Aber das ist nicht der Fall, also erleuchte mich!

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

Invertieren der Kollektorstromgleichung:

Ausbeuten:

Zum Beispiel lassen

Finden Sie das mit diesen Werten

Verdoppeln Sie nun den Kollektorstrom und finden Sie diesen

Durch Erhöhen des Kollektorstroms um 100% wurde nur die Basis-Emitter-Spannung um 2,45% erhöht.

Obwohl es nicht wahr ist, dass die Basis-Emitter-Spannung konstant ist, ist es keine schlechte Annäherung, sie über einen relativ weiten Bereich des Kollektorstroms als konstant zu betrachten.

Vbe in einem Siliziumtransistor wirkt wie eine Siliziumdiode. Der Durchlassspannungsabfall steigt nach Durchleiten einer bestimmten Strommenge stark an. Das Erhöhen des Stroms macht an diesem Punkt einen vernachlässigbaren Vf-Unterschied.

Beachten Sie, dass der Vf natürlich für Germaniumdioden und Transistoren unterschiedlich ist.

Das Ebers-Moll-Modell für den Emitterstrom in einem Bipolartransistor lautet:

$I_e \approx I_{es} e^{\frac{V_{be}}{V_t}}$

$I_e$$V_t\ \approx 26mV$$V_{be}$$I_{es} = 10^{-12}$

Ebers-Moll-Grundstück

$V_{be}$

$V_{be}$$V_{be}$

$V_{be}$

$V_{be}$$V_{be}$

Das Fermi-Niveau ist die durchschnittliche Energie mobiler Elektronen (oder Löcher) in Halbleitermaterial. Die Fermi-Pegel werden in Elektronenvolt (eV) ausgedrückt und können als die Spannung angesehen werden, die von den Elektronen gesehen wird.

Intrinsisches Silizium (und Germanium) hat das Fermi-Niveau auf halbem Weg zwischen der Oberkante des Valenzbandes und der Unterkante des Leitungsbandes.

Wenn Sie das Silizium auf P-Typ dotieren, fügen Sie viele Löcher hinzu. Jetzt haben Sie viel mehr verfügbare Trägerzustände nahe der Oberseite des Valenzbandes, und dies drückt den Fermi-Pegel nahe der Valenzbandkante nach unten. In ähnlicher Weise fügen Sie beim Dotieren vom N-Typ viele Elektronen hinzu, wodurch viel mehr verfügbare Trägerzustände in der Nähe des Leitungsbandes erzeugt werden, und drücken den Fermi-Pegel nahe an die Kante des Leitungsbandes.

Für die Dotierungsniveaus, die typischerweise in einem Basis-Emitter-Übergang gefunden werden, beträgt der Unterschied in den Fermi-Niveaus zwischen der P- und der N-Seite etwa 0,7 Elektronenvolt (eV). Dies bedeutet, dass ein Elektron, das sich von N nach P bewegt, 0,7 eV Energie abgibt (in Form eines Photons: Hier erhalten Leuchtdioden ihr Licht: Die Materialien und die Dotierung werden so gewählt, dass der Unterschied in den Fermi-Pegeln über den Übergang hinweg besteht führt zu Photonen bei der gewünschten Wellenlänge, wie durch die Plancksche Gleichung bestimmt). In ähnlicher Weise muss ein Elektron, das sich von P nach N bewegt, irgendwo 0,7 eV aufnehmen.

Kurz gesagt, Vbe ist im Wesentlichen nur der Unterschied in den Fermi-Pegeln auf den beiden Seiten der Verbindungsstelle.

Dies ist das Material von Semiconductors 101, da Sie dies verstehen müssen, bevor Sie weiter gehen. Die Tatsache, dass es 101 ist, bedeutet NICHT, dass es einfach oder leicht ist: Es dauert zwei Semester Kalkül, zwei Semester Chemie, zwei Semester Physik und ein Semester Differentialgleichungen, um die Voraussetzungen für die Halbleitertheorie zu schaffen Klasse, die all das im Detail erklärt.

$V_{BE} = 0.7V$

$V_{BE}$

Gute Frage. Das oft zitierte Vbe von 0,7 V ist nur eine Annäherung. Wenn Sie die Vbe eines Transistors messen, der aktiv verstärkt, wird auf einem Multimeter eine Vbe von etwa 0,7 V angezeigt. Wenn Sie diese 0,7 jedoch wie mit einem Oszilloskop vergrößern könnten , würden Sie winzige Abweichungen feststellen Daher kann es zu jedem Zeitpunkt 0,6989 V oder 0,70021 V sein, da das Eingangssignal, das auf dieser Vorspannung liegt - dasjenige, das Sie verstärken möchten - um diesen Vorspannungspunkt schwankt.

$v_{BE}$$v_{BE}$$v_{ce}$

$v_{BE}$$V_{BE}$$v_{BE}=V_{BE} + v_{be}$$V_{BE}$$0.7V$$v_{be}$

Ihre Frage ist ausgezeichnet.

Nur theoretisch sind Transistoren für jede Ube <0,7 V vollständig geschlossen und für jede Ube> = 0,7 V vollständig geöffnet. In einigen Transistoren mit geringer Leistung kann diese idealisierte Ube 0,6 V oder 0,65 V betragen.

In der Praxis kann Ube für Hochleistungstransistoren noch mehr von 0 V bis 3 V reichen. In der Praxis werden Transistoren für jedes Ube> 0 leicht geöffnet und erhöhen ihre Offenheit mit zunehmendem Ube weiter.

Wie bereits erwähnt, ist die Abhängigkeit von Eis oder besser gesagt von Rce von Ube nach einem bestimmten Punkt stark nichtlinear, und daher führt die Zunahme von Eis nicht zu einer enormen Zunahme von Ube, dennoch gibt es eine solche.

Unterhalb von 0,7 V kann die Zunahme von Eis etwas linear sein und dies hängt vom Transistor ab.

Die maximale Ube bei maximalem Eis beträgt leicht 2,5 V bis 3 V für große Leistungstransistoren und Eis größer als 25A.

Eines ist sicher: In analogen Anwendungen muss die Abhängigkeit von Eis von Ube unbedingt berücksichtigt werden, hauptsächlich für Hochleistungs- oder Hochstromtransistoren.

Schauen Sie sich 2N5302 mit Ube = 3V bei Ice = 30A und Uce = 4V an.

Am Ende dieses Beitrags erfahren Sie, wie Sie die Spannungsverstärkung eines Bipolaren berechnen.

Untersuchen wir eine Tabelle von Vbe gegen Kollektorstrom für einen imaginären Bipolar:

VBE Ic

0,4 1 uA

0,458 10uA Hinweis 58 mV mehr Vbe ergeben genau 10x mehr Strom.

0,516 100 uA

0,574 1 mA

0,632 10 mA

0,690 100 mA [Transistor ist HEISS, daher kann der Strom durchgehen und den Transistor schmelzen (ein bekanntes Risiko bei Bipolaren, die mit konstanter Basisspannung vorgespannt sind)]

0,748 1 A Transistor ist HEISS

0,806 10 Ampere Transistor ist heiß

Können wir tatsächlich einen Bipolartransistor mit einem Kollektorstrom von 1 uA bis 10 Ampere betreiben? Ja, wenn es ein Leistungstransistor ist. Und bei höheren Strömen verliert diese feine Tabelle - die 58 Millivolt mehr Vbe zeigt, 10-mal mehr Strom - an Genauigkeit, da das Bulk-Silizium einen linearen Widerstand aufweist und Kurven-Tracer dies zeigen.

Wie wäre es mit Änderungen unter 58 mV? Vbe Ic 0,2 Volt 1nanoAmp (ca. 3 Faktoren von 58 mV unter 1uA bei 0,4 V) 0,226 2,718 nanoAmp (die 0,026 V der Physik ergeben E ^ 1 mehr I) 0,218 2.000 nanoAmp 0,236 4.000 nanoAmp 0,254 8.000 nanoAmp (Sie finden N * 18 mV in Spannungsreferenzen)

OK, genug Tische. Betrachten wir den Bipolartransistor ähnlich wie Vakuumröhren oder MOSFETS ............... als Transkonduktoren, bei denen Änderungen der Eingangsspannung Änderungen des Ausgangsstroms verursachen.

Die Verwendung von Bipolaren macht Spaß, da wir die Transkonduktanz für jeden Bipolar genau kennen, wenn wir den DC-Kollektorstrom kennen (dh ohne AC-Eingangssignal).

Kurz gesagt, wir bezeichnen dies als "gM" oder "gm", da Vakuumröhren-Datenbücher die Variable "gegenseitige Transkonduktanz" verwendeten, um zu erklären, wie der Netzspannungs-Plattenstrom gesteuert wird. Wir können Lee deForest ehren, indem wir dafür gm verwenden.

Der gm eines Bipolaren bei 25 Grad Celsius und dem Wissen, dass kt / q 0,026 Volt beträgt, beträgt -------> Ic / 0,026, und wenn der Kollektorstrom 0,026 Ampere (26 Milliampere) beträgt, beträgt der gm 1 Ampere pro Volt.

Somit verursacht 1 Millivolt PP an der Basis einen Wechselstrom von 1 Milliampere PP-Kollektor. Ignorieren Sie einige Verzerrungen, die Sie mithilfe der Taylor-Serie vorhersagen können. Oder Barry Gilberts Schriften zu IP2 und IP3 für Bipolare.

Angenommen, wir haben einen 1-kOhm-Widerstand vom Kollektor bis +30 Volt mit 26 mA. Der Vce beträgt 30 - 1K * 26ma = 30 - 26 = 4 Volt, so dass sich der Bipolar im "linearen" Bereich befindet. Was ist unser Gewinn?

Die Verstärkung beträgt g * Rcollector oder 1 Ampere / Volt * 1.000 Ohm oder Av = 1.000x.

Ihre Frage ist:

Wie kann Vbe konstant bleiben, wenn dies selbst die Eingangsvariable für eine Verstärkerstufe ist?

Die einfache Antwort ist, dass es nicht so ist:

1. $V_{BE}$
2. $V_{BE}$$I_b$

Aber jetzt werde ich versuchen zu beantworten, was meiner Meinung nach Ihr tatsächlicher Zweifel ist. Ich denke, dass Sie das Konzept aus der DC-Analyse und der Kleinsignalanalyse der Schaltung verwechseln.

Was Sie "Eingangsvariable" nennen, hat tatsächlich eine Wechselstromkomponente über einer Gleichstromkomponente:

$V_{BE}$

Ich denke, jetzt können Sie sehen, woher Ihre Verwirrung kommt. Keine Sorge, es ist eine ziemlich häufige Verwirrung. Ich habe immer gedacht, dass die meisten Lehrer und Bücher nicht gut erklären können, wie man in Bezug auf die DC-Analyse im Vergleich zur Kleinsignalanalyse denkt und welche Annahmen in jedem einzelnen angewendet werden sollten.

Alles zusammenfassend:

1. $V_{BE}$$V_{BE}$$I_b$

2. $R_c$$V_{cc}$$v_{BE}$$V_{BE}$

Hinweis: Die Quelle für das obige Diagramm finden Sie hier .