Насыщенные транзисторы BJT. : AKA - Вещи, которые заставляют вас говорить «Хмммм»

Мы используем их каждый день, и те, кто в курсе, полностью понимают функциональные характеристики транзисторов BJT. Есть множество документов и ссылок, объясняющих операционную математику. Есть даже множество хороших видео, которые объясняют современные теории о том, как они физически работают. (Большинство из последних даны людьми, которые по какой-то причине говорят на английском языке по телемаркетингу).

Однако я должен признать, что даже после 40 с лишним лет многое из этого я должен принять за чистую монету, поскольку описания того, как соединение коллекторов вписывается в уравнение, всегда немного волнистые.

Во всяком случае, кроме этого, есть один аспект, который я действительно просто не понимаю. Кажется, что это противоречит законам физики, Законы Кирхгофа и др.

Я говорю о вашей стандартной насыщенной общей схеме эмиттера.

Известно, и мы принимаем, что при насыщении напряжение на коллекторе будет меньше базового напряжения. Мы, очевидно, используем это в своих интересах в цепях и выбираем детали, чтобы дать нам как можно более низкое значение Vce-Sat для конкретного тока нагрузки.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Все хорошо, пока вы не посмотрите на типичный режим типичного NPN-транзистора ...

Как, черт возьми, коллектор может иметь более низкое напряжение, чем база в этом сэндвиче?

Даже если вы добавите туда некоторое напряжение типа обратной ЭДС, чтобы учесть это, ток коллектора будет проходить неправильный путь через соединение база-коллектор.

В биполярном транзисторе эмиттер имеет намного более высокое легирование, чем основание. Когда вы применяете прямое смещение к диоду базы-эмиттера, ток будет течь, и из-за более высокого легирования в эмиттере от эмиттера в основание будет течь намного больше электронов, чем от основания в эмиттер через отверстия.

Ток в полупроводнике может протекать через два основных механизма: есть «дрейфующий» ток, когда электрическое поле ускоряет электроны в определенном направлении. Это простой способ прохождения тока, к которому мы все привыкли. Существует также «диффузионный» ток, при котором электроны перемещаются из областей с более высокой концентрацией электронов в области с более низкой концентрацией, подобно воде, впитывающейся в губку. Однако эти рассеивающие электроны не могут двигаться вечно, поскольку в какой-то момент они попадут в дыру и рекомбинируют. Это означает, что диффузионные (свободные) электроны в полупроводнике имеют период полураспада и так называемую диффузионную длину, которая является средним расстоянием, которое они проходят перед рекомбинацией с дыркой.

Диффузия - это механизм, с помощью которого диодное соединение создает область обеднения.

Теперь, если диод базы-эмиттера смещен вперед, область истощения диода базы-эмиттера становится меньше, и электроны начинают диффундировать из этого перехода в базу. Однако, поскольку транзистор построен так, что диффузионная длина этих электронов больше, чем широкая база, многие из этих электронов фактически способны диффундировать прямо через базу без рекомбинации и выходить на коллектор, эффективно «туннелируя» через основание, не взаимодействуя с отверстиями там. (Рекомбинация - это случайный процесс, который не происходит сразу, поэтому диффузия существует в первую очередь.)

Таким образом, в конце концов, некоторые электроны попадают в коллектор случайным движением. Теперь, когда они есть, электроны могут вернуться обратно в базу только тогда, когда они преодолеют прямое напряжение смещения диода коллектора базы, заставляя их «накапливаться» в коллекторе, уменьшая напряжение там, пока они не смогут преодолеть соединение коллектор базы и поток обратно. (На самом деле, этот процесс является равновесием, конечно.)

С напряжениями, которые вы прикладываете к базе, эмиттеру и коллектору, вы создаете только электрические поля в полупроводнике, которые вызывают дрейф электронов к области обеднения, изменяя концентрацию электронов в кристалле, что приводит к диффузионному току, протекающему через база. Хотя на отдельные электроны влияют электрические поля, создаваемые напряжениями на клеммах транзистора, они сами не имеют напряжения, только уровни энергии. Внутри части кристалла, которая обычно находится под одним и тем же напряжением, электроны могут (и будут) иметь разную энергию. Фактически, никакие два электрона не могут иметь одинаковый уровень энергии.

Это также объясняет, почему транзисторы могут работать в обратном направлении, но с гораздо меньшим коэффициентом усиления по току: электронам труднее диффундировать в область сильного легирования эмиттера, чем в слегка легированный коллектор, поскольку концентрация электронов там уже достаточно высока. Это делает этот путь менее благоприятным для электронов, чем в нереверсивном транзисторе, поэтому больше электронов просто вытекает прямо из базы, и коэффициент усиления ниже.

Как, черт возьми, коллектор может иметь более низкое напряжение, чем база в этом сэндвиче?

$0.7\,\mathrm{V}$$0.4\,\mathrm{V}$

Следовательно, ваш реальный вопрос, вероятно, таков: учитывая эти приложенные напряжения, как получается , что законы физики позволяют току коллектора течь в коллектор?

Это единственные ограничения, которые физика накладывает на напряжения и токи терминала в статическом случае. Как видите, все вышеперечисленные условия выполняются для насыщенного BJT.

Ваша путаница, вероятно, происходит из-за того, что мы подразумеваем линейное устройство, а не BJT.

Имейте в виду, что база не имеет одинакового напряжения по всей площади. Существует неснижаемое «листовое» сопротивление, связанное с основанием, внешнее соединение которого обязательно должно быть в некотором смысле на краю конструкции. Поскольку в этом «листе» есть распределение тока, существует также распределение напряжения.

Таким образом, при насыщении ток, который течет в базовую клемму, проходит через оба смещенных вперед диодных перехода (BE и BC) рядом с базовой клеммой. Затем ток, поступающий на коллектор, течет к эмиттеру через другую часть базы, которая находится дальше от базовой клеммы.

По сути, падение напряжения на собственном базовом сопротивлении - это то, что позволяет распределению напряжения, которое мы видим на внешних клеммах.

BJT являются текущими устройствами. Находясь в активной области, много электронов эмиттера (эмиттеры сильно легированы и более отрицательны, чем основание) попадают в основание (слегка легированное), а некоторые падают в меньшее количество базовых отверстий, но большинство диффундирует через коллектор, вызывая Ic , При насыщении коллектор также является более отрицательным, чем основание, поэтому он вносит некоторые электроны в основание. Поскольку коллектор вносит больше электронов в базу (Vbc является более положительным), из этого следует, что ток коллектор-эмиттер будет ниже. Когда Vbc становится меньше (Vce (sat) выше), ток насыщения может быть выше. Таким образом, однажды в насыщении, напряжение коллектора увеличивается с током коллектора.

Вы можете запустить транзистор с обращенным коллектором и эмиттером. Поскольку коллектор слегка легирован по сравнению с эмиттером, коэффициент усиления невелик, но Vce (sat) будет снижаться в диапазоне одиночных мВ. В эпоху до FET мы использовали этот подход для заземления аналоговых входов в выборке и удержании и т. Д.

Это разные носители и разные способы движения. Говоря о NPN.

Когда вы увеличиваете базовое напряжение, отверстия начинают перемещаться через потенциальный барьер соединения BE, и вы получаете гораздо больше электронов обратно. Электроны перемещаются по основанию путем диффузии, переходя от высокой концентрации к низкой концентрации, они не управляются напряжением.

В итоге вы получите группу свободных электронов на стыке BC, образующую отрицательно заряженную область, и они будут поглощены любым положительным напряжением на коллекторе.

НЕРАЗИЦИОННЫЕ СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ПОТЕНЦИАЛЫ. Это хитрость.

Все упускают простой, очень простой факт. (В большинстве учебников для начинающих это тоже не хватает. Даже некоторые инженеры-профессионалы кажутся невежественными.) Дело в том, что на соединениях всегда есть напряжение, даже когда они не подключены к питанию, даже когда это металл-кремний без диодного эффекта ... и даже когда соединение железо-медь, хромель-алюмель и др.

Другими словами, если мы хотим понять все о диодах и транзисторах, нам не разрешают игнорировать физику термопар и НЕРАЗРЕКЦИОННЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Если мы это сделаем, то Vce становится необъяснимым, темная загадка инженерии.

[еще не все]

В идеале Vbe соответствует Vcb, и оба имеют прямое поведение с Vce (sat) = 0 при Imax и Ic / Ib = 10.

Как отметил Дейв Т., сопротивление распространению основания Vbe (эффективная серия R или ESR) не является равномерным, но благодаря параллельному созданию нескольких узких базовых скважин производительность улучшается.

Когда ESR меньшего, более легированного соединения BE, выше, чем большее ESR соединения CB, мы получаем более высокое значение Vbe, чем Vcb, таким образом, Vce (sat) возрастает. Текущий прирост теперь упал до 10% от макс.

• Эпитаксиальный процесс обычно плоский, чем вертикальный.
• Ионная имплантация используется для эмиттерного и базового переходов.
• $R_{CE}$
• гораздо больше электронов впрыскивается в основание, чем дырки в излучателе
• поскольку основание сделано очень узким, большинство электронов-эмиттеров проходит через базу и достигает коллектора

Zetex изобрел около 100 технологических патентов в отношении этой эпитаксиальной технологии, и теперь, поскольку Diodes Inc имеет много продуктов, хотя более дорогие имеют схожие размеры штампов с Rce в 10-х миллиомах от целых устаревших банок TO-3 с Rce в диапазоне 1 Ом. Это значительно уменьшает тепловыделение при больших токах.

ON Semi также имеет свои собственные низко Vce (сат) части.

Этот SOT-23 имеет объем менее 13 центов и Rce = 45 мОм макс. Vce max = 12 В