Почему два последовательно соединенных диода не могут работать как BJT?

Другая форма вопроса: сделает ли соединение двух диодов проводами (pn-np) транзисторный эквивалент?

Я читал, что они не эквивалентны, но почему?

Многие думают, что ответ на этот вопрос связан с шириной базовой области в транзисторах BJT - это неверно. Ответ получил довольно долго. Вы можете прочитать, начиная с раздела «Хитрый вопрос», если хотите, чтобы в нижней строке.

Я считаю, что вы были вынуждены задать этот вопрос из-за чего-то вроде этой картины:

Это стандартная практика преподавания основ BJT, но она может сбить с толку тех, кто не знаком с теорией полупроводников в деталях.

Чтобы ответить на ваш вопрос на приемлемом уровне, я должен предположить, что вы знакомы с принципами работы PN диода. Эта ссылка содержит подробное обсуждение PN-переходов.

Ответ касается NPN-транзистора, но он также применим к PNP-транзисторам после соответствующего изменения полярности.

NPN в форвард-активном режиме работы:

Наиболее «полезный» режим работы BJT-транзистора называется «прямой-активный»:

NPN находится в прямом активном режиме, когда:

• $V_{BE}\approx 0.6V$
• $V_{CB}>0$

$I_{E_n}$$I_{B1}=I_{E_p}$$n^{++}$$p$

Обратите внимание, что отверстия, впрыскиваемые в эмиттер, питаются от базового электрода (ток базы), тогда как электроны, впрыскиваемые в базу, подаются от эмиттерного электрода (ток эмиттера). Соотношение между этими токами делает BJT усилителем тока - малый ток на базовой клемме может вызвать гораздо более высокий ток на клемме эмиттера. Обычное усиление тока определяется как отношение токов коллектора к основанию, но это соотношение между вышеупомянутыми токами, которое делает возможным любое усиление тока.

$I_C$

Теперь, если бы все эти электроны, инжектированные из эмиттера, могли диффундировать к обратному смещенному соединению база-коллектор, не подвергаясь другим эффектам - не было бы никакого значения для ширины базовой области. Однако на базе происходит рекомбинация.

$I_{B2}$

Вышеуказанное означает, что чем больше электронов рекомбинирует во время диффузии через базовую область, тем ниже коэффициент усиления по току транзистора. Это зависит от производителя, чтобы минимизировать рекомбинацию для обеспечения функционального транзистора.

Существует множество факторов, влияющих на скорость рекомбинации, но одним из наиболее важных является ширина базы. Очевидно, что чем шире основание, тем больше времени потребуется, чтобы инжектированный электрон диффундировал через основание, тем выше вероятность того, что он встретит дыру и рекомбинирует. Производители, как правило, делают BJT с очень короткой базой.

Итак, почему два PN диода не могут работать как один NPN:

Приведенное выше обсуждение объясняет, почему база должна быть короткой. PN диоды (обычно) не имеют этих коротких областей, поэтому скорость рекомбинации будет очень высокой, а коэффициент усиления по току будет примерно равен единице. Что это значит? Это означает, что ток на клемме «Эмиттер» будет равен току на клемме «База», а ток на «Коллектор» будет равен нулю:

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

Диоды функционируют как автономные устройства, а не один BJT!

Каверзный вопрос:

$p$

На этот вопрос сложнее ответить, потому что прямой ответ «нет, база BJT очень короткая» больше не применима.

Оказывается, что при таком подходе два диода не будут похожи по поведению на один NPN-транзистор. Причина в том, что на металлическом контакте диода, где металл и полупроводник соприкасаются, все избыточные электроны «рекомбинируют» с «дырками», создаваемыми контактом. Это не обычная рекомбинация, так как металлы не имеют дыр, но тонкое различие не столь важно - как только электроны попадают в металл, транзисторная функциональность невозможна.

Альтернативный способ осмысления вышеизложенного состоит в том, чтобы понять, что диод Collector-Base имеет обратное смещение, но все еще проводит большой ток. Этот режим работы не может быть достигнут с автономными диодами PN, которые проводят незначительные токи под обратным смещением. Причина этого ограничения та же - избыточные электроны со стороны P диода с прямым смещением не могут быть проложены к стороне P диода с обратным смещением через металлический провод в «BJT-подобной диодной конфигурации». Вместо этого они поступают на источник питания, обеспечивая смещение напряжения на общей клемме диодов.

Был задан дополнительный вопрос, в котором предлагалось более строгое обоснование двух вышеупомянутых пунктов. Ответ касается интерфейсов металл-полупроводник и может быть найден здесь .

Вышеизложенное означает, что обсуждение ширины базовой области связано с обсуждением эффективности транзисторов BJT и совершенно не имеет отношения к обсуждению двух параллельных PN-диодов в качестве замены BJT.

Резюме:

Два параллельных PN-диода не могут функционировать как один BJT, потому что для функционирования транзистора требуется только полупроводниковая базовая область. Как только металл введен в этот путь (то, что представляют собой два диода спина к спине), функциональность BJT невозможна.

Нет. Два спина к спине - это НЕ транзистор. Особенность, которая делает сэндвич PNP или NPN транзистором, а не просто двумя диодами, заключается в том, что базовый слой очень тонкий. В терминах физики полупроводников в базе нет двух отдельных областей истощения. Области истощения из двух переходов перекрываются в основании, что необходимо для транзистора, чтобы иметь его особые свойства.

Из Википедии

Транзисторы можно рассматривать как два диода (переходы P – N), имеющие общую область, через которую могут перемещаться неосновные носители. PNP BJT будет функционировать как два диода, которые имеют общую катодную область N-типа, а NPN - как два диода, которые имеют общую анодную область P-типа. Соединение двух диодов с проводами не сделает транзистор, так как неосновные носители не смогут добраться от одного P-N-перехода к другому через провод.

По сути, полупроводник должен быть подключен напрямую.

Возможно, стоит подумать об эквивалентном вопросе для вакуумных трубок. Почему две диодные трубки не могут работать как триод? Ответ заключается в том, что для правильной работы триода большая часть электронов, испускаемых катодом, должна проходить через сетку сетки, чтобы достичь анода. Если вы соединили две диодные трубки вместе и назвали связь между ними сеткой, или если вы сделали сетку триода в виде сплошного куска фольги вместо сетки, то все электроны дойдут до сетки и остановятся. там, истощая в сетку питания вместо того, чтобы быть повторно выпущенным, чтобы добраться до анода. Для правильной работы триода должна быть возможность для импульса электронов переносить их прямо через решетку, управляемую не только потенциалом между решеткой и анодом.

Физические эффекты в полупроводниковом транзисторе различны, но основная идея о том, что ток должен быть в состоянии обойти провод, который в противном случае высосал бы его в середине, остается прежней.

Это очень сокращенная версия уже принятого ответа.

Металл обладает другими свойствами, чем полупроводник, поэтому он не объединит два N в один N. Два диода будут компонентом PN-металл-NP, который не является компонентом NPN. (Наоборот для PNP.)

(Если вы порежете основание транзистора тонким листом металла, он перестанет работать.)

BJT опирается на принцип диффузии (неосновных носителей заряда).

Это работает, только если толщина основания порядка длины диффузии .

Этого нельзя достичь, подключив два дискретных диода.

Нет, потому что для создания транзистора нужен только тонкий слой между эмиттером и коллектором, но если вы подключите 2 диода сзади, то получится толстый слой, который электронам будет трудно проникнуть

По сути, один из диодов отключается из-за разности напряжений либо в базовом эмиттере, либо в коллекторе (0,7 в любой конфигурации). При более близком подходе будет стабилитрон и два диода, но он все равно не будет функционировать как транзистор или что-либо полезное. Мне ужасно объяснять, но ответ можно найти в понимании того, как устранить падение напряжения на диоде , что редко встречается в книгах, но чрезвычайно важно. Теперь попробуйте представить батарею на 0,7 В параллельно с диодом, подключенным к сигналу, тогда он будет работать, начиная с 0, и будет разрушаться при 0 (не типично -0,7). Ну, есть нечто большее, но я только пытаюсь указать вам куда-нибудь.