Operasi dasar dari transistor persimpangan bipolar

Saya sudah berusaha sangat keras untuk memahami prinsip operasional dasar sebuah transistor. Saya telah merujuk banyak buku dan berkunjung ke forum tetapi tidak pernah mendapat jawaban yang meyakinkan.

Inilah beberapa hal yang ingin saya pahami:

Transistor mirip dengan dioda bias terbalik kecuali tegangan diberikan ke Base. Karena persimpangan Emitter-Base bias ke depan, akan ada konduksi dari - katakan - elektron (npn). Lalu apa yang terjadi? Benarkah elektron-elektron dari Base menghancurkan penghalang persimpangan Collector-Base dan kemudian arus gabungan dialihkan ke Emitter? (IB + IC = IE)

Dan mengapa kita mendapatkan lebih banyak arus? Di mana amplifikasi? Tidak mungkin seperti menciptakan sesuatu dari ketiadaan. Saya tahu saya kehilangan beberapa poin penting di sini. Adakah yang bisa menjelaskan dengan jelas dalam istilah sederhana?

Sudah seminggu saya mencoba memahami ini. :(

Ketika elektron mengalir melalui persimpangan dioda maju-bias, seperti persimpangan basis-emitor dari sebuah transistor, itu sebenarnya membutuhkan jumlah waktu yang tidak nol bagi mereka untuk bergabung kembali dengan lubang di sisi P dan dinetralkan.

Dalam transistor NPN, daerah basis tipe-P dibangun sedemikian rupa sehingga sangat sempit sehingga sebagian besar elektron benar-benar melewati semua jalan melaluinya sebelum rekombinasi ini terjadi. Begitu mereka mencapai daerah penipisan persimpangan-kolektor-bias-balik, yang memiliki medan listrik yang kuat di atasnya, mereka dengan cepat terhanyut dari daerah basis sama sekali, menciptakan arus kolektor.

Arus total melalui sambungan basis-emitor dikendalikan oleh tegangan basis-emitor, yang tidak tergantung pada tegangan kolektor. Ini dijelaskan oleh persamaan Ebers-Moll yang terkenal . Jika kolektor adalah rangkaian terbuka, semua arus ini mengalir keluar dari koneksi basis. Tetapi selama setidaknya ada bias positif kecil pada persimpangan basis-kolektor, sebagian besar arus dialihkan ke kolektor dan hanya sebagian kecil yang tersisa mengalir keluar dari basis.

Dalam transistor dengan gain tinggi, kurang dari 1% elektron sebenarnya bergabung kembali di daerah basis, di mana mereka tetap sebagai arus basis-emitor, yang berarti bahwa arus kolektor dapat 100 × atau lebih dari arus basis. Proses ini dioptimalkan melalui kontrol yang cermat terhadap geometri dari tiga wilayah dan tingkat doping spesifik yang digunakan di masing-masing daerah.

Selama transistor bias dalam mode operasi ini, perubahan kecil dalam tegangan basis-emitor (dan perubahan kecil pada arus basis-emitor) menyebabkan perubahan yang jauh lebih besar pada arus kolektor-emitor. Tergantung pada impedansi eksternal yang terhubung ke kolektor, ini juga dapat menyebabkan perubahan besar pada tegangan kolektor. Sirkuit keseluruhan menunjukkan penguatan daya karena daya output (CV _C × ΔI _C ) jauh lebih besar dari daya input (ΔV _B × ΔI _B ). Tergantung pada konfigurasi sirkuit spesifik, penguatan daya ini dapat direalisasikan sebagai penguatan tegangan, penguatan arus, atau kombinasi keduanya.

Pada dasarnya hal yang sama terjadi pada transistor PNP, tetapi sekarang Anda harus memikirkan lubang (tidak adanya elektron) sebagai pembawa muatan positif yang melayang sepanjang jalan melalui basis tipe-N ke kolektor.

Baca dan baca kembali jawaban Dave yang luar biasa.

Kemudian secara mental membalikkan apa yang terjadi ...

Anda memiliki sambungan basis-emitor bias-maju, dan sirkuit eksternal yang terhubung ke basis menuntut Ib saat ini, yang disuplai dari elektron yang bersumber dari emitor.

Tetapi ketika sebuah elektron memasuki wilayah dasar, ia bertemu dengan medan listrik yang kuat yang menariknya ke arah kolektor (positif). Mayoritas (sebagian besar dan didefinisikan dengan sangat baik) dari elektron-elektron ini hilang (dari arus basis) dan muncul sebagai arus kolektor, karena alasan yang dijelaskan dengan sangat baik dalam jawaban Dave. Jadi daripada penguat yang efisien, Anda juga bisa melihat transistor sebagai pemasok arus basis yang sangat tidak efisien!

Dari sudut pandang ini, sirkuit dasar menuntut Ib dan emitor memasoknya. Tetapi sebagai produk sampingan, arus yang jauh lebih besar (Ic = 100Ib) "hilang" ke kolektor. Tentu saja itu yang benar-benar kita inginkan.

EDIT re: comment: Pada akhirnya (sebagian besar, katakanlah 99%) elektron dari emitor memasuki wilayah kolektor.

Pada akhirnya arus kolektor harus (sedikit) lebih kecil dari arus emitor suplai.

Hak untuk keduanya.

Apa tujuannya?

1) Arus basis yang sangat kecil mengontrol arus kolektor besar, dan arus emitor adalah jumlah dari keduanya.

2) Rasio Ic / Ib (hFE atau penguatan arus) kira-kira tidak tergantung pada tegangan kolektor Vce (sampai Vce rendah, katakan <1V). Ini berarti bahwa untuk pilihan impedansi yang sesuai di sirkuit kolektor, perubahan kecil pada Ib dapat menghasilkan perubahan besar pada Ic dan perubahan besar pada Vce; Di sinilah gain tegangan berasal.

Jadi amplifier "common emitor" yang biasa memiliki beban di sirkuit kolektor dan memiliki gain arus tinggi dan gain tegangan tinggi.

Ini adalah cara saya melihatnya, saya harap ini menambah sesuatu yang berguna untuk diskusi:

SEMIKONDUKTOR, DIODA DAN TRANSISTOR

ELEKTRON DAN KUDUS

Mari kita pikirkan deretan uang yang diletakkan dalam barisan, menyentuh, di atas meja. Pindahkan ujung kanan sen satu sen sen ke kanan, meninggalkan celah. Kemudian terus menggerakkan sen ke kiri celah ke ruang. Saat Anda melanjutkan semua uang telah bergerak ke kanan, dan celah telah bergerak melintasi meja ke kiri. Sekarang bayangkan uang kertas sebagai elektron, dan Anda dapat melihat bagaimana elektron bergerak satu arah melintasi semikonduktor menyebabkan lubang bergerak ke arah sebaliknya.

Untuk merentangkan analoginya, kita bisa menggunakan tumpukan uang kecil, jadi banyak yang harus bergerak tepat sebelum lubang bergerak ke kiri. Atau kita bisa memiliki beberapa sen dan banyak ruang sehingga lubang-lubang berjalan dengan mudah karena uang receh dipindahkan melintasi celah-celah lebar. Kedua kasus ini memodelkan dua bentuk Silikon yang didoping, banyak elektron yang ditambahkan dan kami memiliki tipe-N, banyak lubang (elektron dilepas) dan kami memiliki tipe-P. Jenis ini dicapai dengan mencampur (doping) Silikon dengan sejumlah kecil logam lain.

Dengan elektron yang harus berjuang melalui atom semikonduktor, resistivitasnya relatif tinggi. Semikonduktor awal menggunakan Germanium, tetapi, kecuali untuk kasus khusus, saat ini silikon adalah pilihan universal.

Kawat tembaga dapat divisualisasikan sebagai memiliki tumpukan besar elektron satu sen, semuanya berdekatan, sehingga arus adalah pergerakan beberapa sen di puncak tumpukan, tidak ada lubang yang dihasilkan sama sekali. Dengan begitu banyak tersedia untuk saat ini, resistivitas, seperti yang kita ketahui, rendah.

DIODA

Dioda semikonduktor yang paling umum (ada jenis khusus lainnya) memiliki persimpangan antara tipe-N dan tipe-P. Jika tegangan diterapkan pada dioda, positif ke ujung tipe-N dan negatif ke yang lain, elektron semua ditarik ke ujung positif, meninggalkan lubang di ujung negatif. Dengan hampir tidak ada elektron di tengah, hampir tidak ada arus yang dapat mengalir. Dioda "terbalik biassed"

Ketika tegangan diterapkan dengan cara lain, negatif ke ujung tipe-N dan positif untuk tipe-P, elektron tertarik ke tengah dan dapat menyeberang untuk membatalkan lubang di tipe-P, dan mengalir keluar ke menghubungkan kawat. Di sisi lain, tegangan negatif, ujung, elektron ditangkis ke tengah dioda, untuk digantikan oleh yang membanjiri dari kawat, sehingga keseluruhan arus dapat mengalir dengan mudah: dioda maju biassed.

Koneksi ke sebuah dioda disebut "Anoda" yang merupakan ujung positif ketika dioda maju biassed, dan "Katoda" yang merupakan ujung negatif. Saya ingat ini dengan analogi dengan istilah yang sama untuk katup, yang membutuhkan tegangan positif tinggi (HT untuk "Ketegangan Tinggi" - jauhkan jari Anda) di anoda agar arus mengalir. Mnemonik yang baik untuk polaritas dioda biassed maju mungkin PPNN: "Positif, tipe-P, tipe-N, Negatif".

Dioda varactor mengeksploitasi fakta bahwa dua area muatan yang terpisah, positif dan negatif, membuat kapasitor kasar. Jadi, dioda yang dirancang khusus dibuat untuk mengeksploitasi ini, ketika dibalik biassed. Tegangan yang diterapkan menarik muatan terpisah, membentuk "lapisan penipisan" di antara kontak. Meningkatkan tegangan balik yang diterapkan membuat lapisan ini lebih tebal, sehingga mengurangi kapasitas, dan sebaliknya. Dioda varactor biasanya digunakan dalam rangkaian yang disetel untuk memvariasikan frekuensi, menggantikan kapasitor yang digunakan pada zaman katup.

TRANSISTOR BIPOLAR

Transistor bipolar adalah yang operasinya tergantung pada elektron dan lubang. Ini terdiri dari dua dioda back to back berbagi lapisan pusat bersama. Salah satu terminal terluar adalah Kolektor C dan yang lainnya adalah Emitter E. Koneksi sentral adalah Basis, dan merupakan bagian dari dioda CB dan BE. Jadi kami punya sandwich tiga lapis. Dalam penggunaan normal, dioda antara C dan B dibalik dengan bias, jadi, tanpa kehadiran dioda BE dan efeknya, tidak ada arus yang mengalir, karena semua elektron ditarik ke salah satu ujung bagian CB, dan lubang-lubang untuk ujung lainnya, seperti dalam dioda, oleh tegangan yang diberikan.

Dioda BE maju biassed, sehingga arus dapat mengalir dan rangkaian eksternal diatur untuk membatasi ini ke nilai yang cukup kecil, tetapi masih ada banyak lubang dan elektron yang mengalir melalui Base dan Emitter.

Sekarang sedikit pintar. Sambungan umum dari dioda CB dan BE di Pangkalan dibuat sangat tipis, sehingga banjir elektron dan lubang di bagian BE menggantikan yang di mana tegangan Kolektor terbalik telah menjauh, dan arus kini dapat mengalir melalui dioda CB ini di arah sebaliknya, dan kemudian melalui persimpangan BE biassed maju ke Emitter dan keluar ke sirkuit eksternal.

Saya pikir itu jelas bahwa Anda tidak dapat membuat transistor dengan menyolder dua dioda kembali ke belakang, tindakan ini memerlukan pembagian intim lapisan tipis di dalam Silicon.

Arus kolektor tergantung pada adanya arus basis yang mengalir, dan transistor dirancang sedemikian rupa sehingga arus kecil di diode BE membuka jalan untuk arus yang jauh lebih besar di persimpangan CB. Jadi kami memiliki amplifikasi saat ini. Dengan menggunakan penurunan tegangan pada resistor eksternal, ini dapat dikonversi menjadi amplifikasi tegangan.

Transistor ini disebut "bipolar" karena mereka secara efektif memiliki dua persimpangan.

Saya telah dengan hati-hati menghindari menyebutkan jenis materi dalam dioda CB dan BE, idenya sama untuk keduanya, dan kita dapat memiliki NPN atau PNP sebagai lapisan yang memungkinkan. Panah, pada emitor, dalam simbol, yang menunjukkan arah arus Kolektor konvensional (kebalikan dari aliran elektron), menunjuk ke arah sisi negatif dari tegangan CE yang diterapkan, sehingga arus "keluar dari P atau ke N di emitor ".

TRANSISTOR EFEK LAPANGAN, atau FET

Ada banyak desain FET yang berbeda, dan ini adalah tampilan yang sangat sederhana pada prinsip dasarnya.

Ini adalah transistor "unipolar", meskipun istilah ini tidak sering digunakan, karena operasinya hanya bergantung pada elektron dan medan listrik, bukan lubang.

Di sini kita memiliki satu blok silikon yang didoping, "saluran", dengan benjolan dengan tipe yang berlawanan di sisi, atau sebagai cincin melingkari. Jadi kita hanya memiliki satu persimpangan dioda, yang disebut Gerbang G, antara benjolan atau cincin dan saluran. Saluran bertindak sebagai resistor, dengan arus yang mengalir dari satu ujung, sumber S, ke yang lain Drain D. Persimpangan antara gerbang dan saluran dibalik biassed, sehingga tidak ada arus yang mengalir, tetapi ada medan listrik yang diatur yang menarik muatan, elektron atau lubang, ke sisi saluran, menyisakan kurang tersedia untuk arus SD. Dengan demikian kita memiliki arus SD yang dikendalikan oleh tegangan di gerbang.

Perhatikan ini adalah perangkat yang dikontrol tegangan, hampir tidak ada arus yang mengalir masuk atau keluar dari Gerbang. Pikirkan hukum Ohm: Perlawanan = Volts / Amps, dan kami melihat bahwa arus yang sangat rendah berarti Resistansi yang sangat tinggi, sehingga FET dikatakan memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi - keunggulan utamanya di atas Bi-Polar, di mana, oleh Sebaliknya, dibutuhkan sedikit tegangan untuk mengirim arus melalui pangkalan, sehingga memberikan impedansi input yang rendah