Поток дырок в транзисторе?

Говорят, что биполярный транзистор имеет поток как электронов, так и дырок. Движение электронов можно понять, но дырки являются фиксированной частью атомной / кристаллической структуры. Как мы можем охарактеризовать их движение?

Дыры - это пространства, где электрон может быть, но в настоящее время его нет. Как любая дыра в макроскопическом мире, вы не можете ее сдвинуть; это отсутствие. Все, что вы можете сделать, это заполнить отверстие, которое создает новое отверстие в другом месте. В некотором смысле мы можем смоделировать это как воображаемую частицу, которая течет в противоположном направлении от электронов (и, следовательно, в том же направлении, что и ток), но в этом направлении нет движущейся частицы. Как и большинство моделей, это удобная литература, которая облегчает математику.

Хороший способ думать об этом - представить наклонную рампу с канавкой, полной мрамора, вниз по склону рампы. Когда вы удаляете нижний мрамор, стопка позади всех сдвигается вниз, и в верхней части стопки появляется отверстие.

Хотя верно, что в кристаллах, в которых механизм переноса заряда - это электроны, дыры - это больше, чем просто концептуальный заполнитель. Все уравнения работают с дырками так же хорошо, как и с электронами, вы можете выполнить расчеты и определить эффективную массу дырок и подвижность дырок (которая в Si примерно в 2,5 раза медленнее, чем у электронов). Таким образом, вы не должны принимать тот факт, что они не являются реальными, как то, что они не имеют реальных эффектов.

Как это:

A BCDEFG
 ^ here is a hole between two letters

Теперь посмотрим, как он «двигается»:

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

Дырки на самом деле не двигаются, но кажется, что так. Когда электрон делает движение, одна дыра закрывается, а другая открывается рядом.

Всякий раз, когда буква перемещается на одну позицию влево, дыра также перемещается на одну позицию вправо. Мы можем рассматривать эту ситуацию как движение букв влево или движение дырок вправо. Это эквивалентно.

Обратите внимание, что в электронике ток обычно описывается как поток положительных зарядов от узла с более положительным напряжением к узлу с более отрицательным напряжением. Это называется обычным током . Но реальный ток на самом деле состоит из электронов, которые переходят от отрицательного к положительному. Это изменение не имеет значения, потому что ток - это просто математическая абстракция. Все уравнения, описывающие поведение устройства, работают просто отлично.

Ученые произвольно назначали «положительные» и «отрицательные» метки зарядам задолго до того, как была известна структура атома. Так что только позже выяснилось, что заряды, которые на самом деле движутся через проводники, - это те, которые были помечены как «отрицательные».

ПОЛУПРОВОДНИКИ, ДИОДЫ И ТРАНЗИСТОРЫ

ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРЫ

Давайте подумаем о ряду монет, выложенных в линию, соприкасающихся по столу. Переместите правый конец копейки на ширину в один пенни вправо, оставляя зазор. Затем продолжайте перемещать пенни слева от пробела в пространство. По мере продвижения все пенни сдвигаются вправо, а зазор перемещается по столу влево. Теперь представьте себе пенни как электроны, и вы можете увидеть, как электроны, движущиеся в одном направлении через полупроводник, заставляют дырки двигаться в противоположном направлении.

Чтобы растянуть аналогию, мы могли бы использовать маленькие кучки копеек, поэтому многие должны двигаться вправо, прежде чем дыра продвинется влево. Или у нас может быть несколько копеек и много места, чтобы дырки легко перемещались, когда разреженные копейки перемещались через широкие промежутки. Эти два случая моделируют две формы легированного кремния, много добавленных электронов, и мы имеем N-тип, много дырок (удаленные электроны) и P-тип. Типы достигаются путем смешивания (легирования) кремния с небольшими количествами других металлов.

Поскольку электронам приходится преодолевать атомы полупроводника, его удельное сопротивление относительно велико. В ранних полупроводниках использовался германий, но, за исключением особых случаев, в настоящее время кремний является универсальным выбором.

Медная проволока может быть визуализирована как имеющая большие кучи копеечных электронов, все близко друг к другу, поэтому ток - это движение нескольких копеек на верхушках свай, никаких отверстий вообще не возникает. С таким количеством доступных для тока удельное сопротивление, как мы знаем, низкое.

ДИОД

Самый распространенный полупроводниковый диод (есть другие специализированные типы) имеет соединение между N-типом и P-типом. Если на диод подается напряжение, положительное на конце N-типа и отрицательное на другом, все электроны тянутся к положительному концу, оставляя отверстия на отрицательном конце. Если в середине практически нет электронов, ток почти не может течь. Диод с "обратным смещением"

Когда напряжение подается другим способом, отрицательным к концу N-типа и положительным к P-типу, электроны притягиваются к середине и могут пересекаться, чтобы исключить отверстия в P-типе, и вытекать в соединительный провод. С другой стороны, отрицательное напряжение, конец, электроны отталкиваются в середину диода, чтобы быть замененными на те, которые попадают из провода, так что в целом ток может течь легко: диод смещен вперед.

Соединения с диодом называются «анодом», который является положительным концом, когда диод имеет прямое смещение, и «катодом», который является отрицательным концом. Я помню их по аналогии с теми же терминами для клапанов, которым необходимо высокое положительное напряжение (HT для «High Tension» - держите пальцы подальше) на аноде для протекания тока. Хорошей мнемоникой для полярности диода прямого смещения может быть PPNN: «Положительный, P-тип, N-тип, Отрицательный».

Варакторный диод использует тот факт, что две разделенные области заряда, положительная и отрицательная, образуют сырой конденсатор. Таким образом, специально разработанные диоды сделаны, чтобы использовать это, когда обратное смещение. Приложенное напряжение разъединяет заряды, образуя «обедненный слой» между контактами. Увеличение приложенного обратного напряжения делает этот слой более толстым, что снижает емкость, и наоборот. Варакторные диоды обычно используются в настроенных цепях для изменения частоты, заменяя лопастные конденсаторы, которые использовались во времена вентилей.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор - это транзистор, работа которого зависит как от электронов, так и от дырок. Он состоит из двух диодов, имеющих общий центральный слой. Один из внешних выводов - это коллектор C, а другой - эмиттер E. Центральное соединение - это база B, и оно является частью диодов CB и BE. Итак, у нас есть трехслойный бутерброд. При нормальном использовании диод между C и B имеет обратное смещение, поэтому без присутствия диода BE и его эффекта ток не будет течь, потому что все электроны тянутся до одного конца секции CB, а отверстия для другой конец, как в диоде, приложенным напряжением.

Диод BE имеет прямое смещение, поэтому ток может течь, и внешняя цепь настроена так, чтобы ограничить его достаточно малым значением, но все еще много дырок и электронов, протекающих через базу и эмиттер.

Теперь умный бит. Общее соединение диодов CB и BE на базе выполнено очень тонким, поэтому поток электронов и дырок в части BE заменяет те, которые снял напряжение обратного коллектора, и теперь через этот диод CB может течь ток. обратное направление, а затем через прямое смещение BE-соединения к эмиттеру и наружу во внешнюю цепь.

Я думаю, что очевидно, что вы не можете сделать транзистор, паяя два диода спина к спине, для этого требуется тесное разделение тонкого слоя внутри кремния.

Ток коллектора зависит от протекающего тока базы, а транзистор спроектирован таким образом, что небольшой ток в диоде BE открывает путь для гораздо большего тока в CB-переходе. Таким образом, мы имеем усиление тока. Используя падение напряжения на внешних резисторах, это можно преобразовать в усиление напряжения.

Эти транзисторы называются «биполярными», потому что они эффективно имеют два перехода.

Я тщательно избегал упоминания типа материала в диодах CB и BE, идеи одинаковы для обоих, и у нас могут быть NPN или PNP в качестве возможных слоев. Стрелка на символе, которая показывает направление обычного тока коллектора (противоположное потоку электронов), указывает в направлении отрицательной стороны приложенного напряжения CE, поэтому ток «выходит из P и в N на излучатель».

ТРАНЗИСТОР ПОЛЕЗНОГО ЭФФЕКТА, или FET

Существует множество различных конструкций FET, и это очень упрощенный взгляд на их основной принцип.

Это «униполярные» транзисторы, хотя этот термин используется не часто, поскольку их работа зависит только от электронов и электрических полей, а не от дырок.

Здесь у нас есть один блок из легированного кремния, «канал», с шишками противоположного типа по бокам или в виде окружающего кольца. Таким образом, у нас есть только один диодный переход, который называется Gate G, между шинами или кольцом и каналом. Канал действует как резистор с током, протекающим через один конец, источник S, к другому стоку D. Соединение между затвором и каналом имеет обратное смещение, поэтому ток не течет, но есть электрическое поле, которое настроено так, что тянет заряды, электроны или дыры к сторонам канала, оставляя менее доступным для тока SD. Таким образом, ток SD контролируется напряжением на затворе.

Обратите внимание, что это устройство, управляемое напряжением, практически не пропускает ток в затвор или из него. Подумайте о законе Ома: сопротивление = вольт / ампер, и мы видим, что очень низкий ток означает очень высокое сопротивление, поэтому говорят, что FET имеет очень высокий входной импеданс - его главное преимущество перед Bi-Polar, где напротив, для передачи тока через базу требуется небольшое напряжение, что приводит к низкому входному сопротивлению