Transistor BJT jenuh.


11

Kami menggunakannya setiap hari dan mereka yang tahu sepenuhnya memahami karakteristik fungsional transistor BJT. Ada banyak dokumen dan tautan yang menjelaskan matematika operasional. Bahkan ada banyak video bagus yang menjelaskan teori saat ini tentang cara kerjanya secara fisik. (Sebagian besar yang terakhir diberikan oleh orang-orang yang berbicara "Bahasa Inggris Tele-marketer" untuk beberapa alasan.)

Namun, saya harus mengakui, bahkan setelah 40+ tahun, banyak yang harus saya terima pada nilai nominal, karena deskripsi tentang bagaimana persimpangan kolektor cocok dengan persamaan selalu sedikit bergelombang.

Bagaimanapun, selain itu, ada satu sisi yang saya benar-benar tidak mengerti. Tampaknya menentang hukum fisika, Hukum Kirchhoff et.al.

Saya sedang berbicara tentang sirkuit emitor umum jenuh standar Anda.

Diketahui, dan kami menerima, bahwa ketika jenuh, tegangan kolektor akan lebih kecil dari tegangan basis. Kami jelas menggunakannya untuk keuntungan kami di sirkuit dan memilih bagian untuk memberi kami serendah Vce-Sat mungkin untuk arus beban tertentu.

skema

mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab

Semuanya bagus dan keren, sampai Anda melihat mode klasik dari transistor NPN yang khas ...

masukkan deskripsi gambar di sini

Bagaimana bisa kolektor menjadi tegangan lebih rendah dari pangkalan di sandwich itu?

Bahkan jika Anda menambahkan beberapa tegangan tipe EMF di sana untuk memperhitungkannya, arus kolektor akan salah jalan melalui persimpangan basis-kolektor ..


Apakah itu membantu untuk memikirkan elektron sebagai membangun momentum saat mereka berakselerasi melintasi Vbe, yang membawa mereka sepenuhnya melalui daerah basis (sangat sempit) ke dalam kolektor? (seperti freewheeling di sepeda Anda menuruni bukit dan ke atas (lebih kecil) berikutnya, kehilangan belokan kanan ke jalur sempit di bagian bawah?
Brian Drummond

Sepertinya Anda mungkin perlu turun beberapa tingkat abstraksi ...
Eugene Sh.

@BrianDrummond ya itu jawaban bergelombang tangan klasik yang saya bicarakan tentang memotong hukum dasar EE. Entah bagaimana mereka muncul tanpa dan efek Ohmic ..
Trevor_G

1
Ya. Anda memiliki basis emitor saat ini. Anda memiliki pengumpul basis saat ini. Dan Anda memiliki arus emitor kolektor. Arus kolektor dasar rendah hingga Anda mencapai saturasi. Alasan arus basis meningkat (dengan Ic dipegang konstan) dalam saturasi adalah bahwa beberapa arus mengambil jalan pintas ke basis dengan pergi ke kolektor sebagai gantinya.
mkeith

1
Mungkin menarik untuk meletakkan resistor bernilai rendah antara kolektor dan tanah dan mengukur berapa banyak arus mengalir ke tanah melalui kolektor vs jalur yang diharapkan (melalui emitor ground).
Spehro Pefhany

Jawaban:


6

Dalam transistor bipolar, emitor memiliki doping yang jauh lebih tinggi daripada basisnya. Ketika Anda menerapkan bias maju ke dioda basis-emitor, arus akan mengalir, dan karena doping yang lebih tinggi dalam emitor, lebih banyak elektron mengalir dari emitor ke dalam basis daripada lubang mengalir dari basis ke dalam emitor.

Arus dalam semikonduktor dapat mengalir melalui dua mekanisme utama: Ada arus "melayang", di mana medan listrik mempercepat elektron ke arah tertentu. Itulah cara sederhana arus yang kita semua terbiasa. Ada juga arus "difusi", di mana elektron-elektron bergerak dari area-area dengan konsentrasi elektron yang lebih tinggi ke area-area dengan konsentrasi yang lebih rendah, seperti halnya air yang meresap ke dalam spons. Namun, elektron-elektron yang menyebar itu tidak dapat bergerak selamanya karena mereka pada suatu saat akan mengenai lubang dan bergabung kembali. Itu berarti difusi (bebas) elektron dalam semikonduktor memiliki waktu paruh dan panjang difusi, yang merupakan jarak rata-rata yang mereka tempuh sebelum bergabung kembali dengan sebuah lubang.

Difusi adalah mekanisme di mana persimpangan dioda menciptakan daerah penipisannya.

Sekarang, jika dioda basis-emitor bias maju, daerah penipisan dioda basis-emitor semakin kecil dan elektron mulai berdifusi dari persimpangan ini ke dalam basis. Namun, karena transistor dibangun sehingga panjang difusi dari elektron-elektron tersebut lebih panjang dari basis yang luas, banyak dari elektron-elektron tersebut yang benar-benar dapat berdifusi menembus dasar tanpa mengkombinasikan dan keluar pada kolektor, secara efektif "tunneling" melalui pangkalan dengan tidak berinteraksi dengan lubang-lubang di sana. (Rekombinasi adalah proses acak dan tidak terjadi segera, itulah sebabnya difusi ada di tempat pertama.)

Jadi pada akhirnya, beberapa elektron berakhir di kolektor dengan gerakan acak. Sekarang mereka ada di sana, elektron hanya dapat kembali ke basis ketika mereka mengatasi tegangan bias maju dari dioda basis-kolektor, menyebabkan mereka "menumpuk" di kolektor, mengurangi tegangan di sana, sampai mereka dapat mengatasi persimpangan basis-kolektor dan mengalir kembali. (Pada kenyataannya, proses ini adalah keseimbangan, tentu saja.)

Dengan voltase yang Anda terapkan pada basis, emitor, dan kolektor, Anda hanya membuat medan listrik di semikonduktor yang menyebabkan penyimpangan elektron menuju daerah penipisan, mengubah konsentrasi elektron dalam kristal, yang kemudian menghasilkan arus difusi yang mengalir melalui mendasarkan. Sementara elektron tunggal dipengaruhi oleh medan listrik yang diciptakan oleh tegangan pada terminal transistor, mereka sendiri tidak memiliki tegangan, hanya tingkat energi. Di dalam bagian kristal yang umumnya pada tegangan yang sama, elektron dapat (dan akan) memiliki energi berbeda. Faktanya, tidak ada dua elektron yang dapat memiliki tingkat energi yang sama.

Ini juga menjelaskan mengapa transistor dapat bekerja secara terbalik, tetapi dengan kenaikan arus jauh lebih sedikit: Lebih sulit bagi elektron untuk berdifusi ke dalam daerah emitor yang sangat diolah daripada ke dalam kolektor yang diolah dengan ringan karena konsentrasi elektron sudah cukup tinggi di sana. Itu membuat jalur ini kurang menguntungkan untuk elektron daripada di transistor yang tidak terbalik, sehingga lebih banyak elektron mengalir langsung dari basis dan penguatannya lebih rendah.


1
Jonathon, itu semua sangat baik, dan klasik, tetapi tidak menjelaskan bagaimana Anda dapat memiliki lapisan di tengah yang pada tegangan lebih tinggi daripada yang di atasnya.
Trevor_G

@ Trvor_G Dalam semikonduktor, sebenarnya tidak ada "voltase". Ada medan listrik, tetapi elektron tunggal dapat memiliki banyak tingkat energi yang berbeda walaupun mereka berada di area yang sama dengan kristal. Jika bukan itu masalahnya, tidak akan ada celah pita dan karenanya tidak ada semikonduktor. Sebuah elektron bahkan tidak memiliki tegangan.
Jonathan S.

@ JonathanS .: Lihat jawaban saya. Memahami detail yang dibicarakan Trevor membutuhkan pemahaman bahwa medan / voltase yang terkait dengan basis tidak konstan di seluruh wilayahnya, terutama selama saturasi.
Dave Tweed

Saya telah membaca semua ini sebelumnya, masih belum menjelaskan bagaimana tegangan bisa lebih rendah pada kolektor, hanya bagaimana elektron membuatnya melalui daerah penipisan. Meskipun Anda berhasil menghindari tunneling.
Trevor_G

@ Trevor_G Basis didoping secara positif, kolektor sedikit negatif. Karena basisnya kecil dibandingkan dengan panjang difusi elektron, kita dapat mengasumsikan jumlah elektron yang sama per "tanah" area dalam basis dan kolektor setelah difusi. Karena kolektor sudah diolah secara negatif, ia akan memiliki konsentrasi elektron yang lebih besar dari pada dasarnya, sehingga ia berada pada tegangan yang lebih rendah.
Jonathan S.

5

Bagaimana bisa kolektor menjadi tegangan lebih rendah dari pangkalan di sandwich itu?

0.7V0.4V

Oleh karena itu, pertanyaan Anda yang sebenarnya mungkin: Mengingat voltase yang diberikan, mengapa hukum fisika memungkinkan arus kolektor mengalir ke kolektor?

VBEVCB+VCE=0
IC+IB+IE=0,

VBEIB+VCEIC>0.

Ini adalah satu-satunya kendala yang diberikan fisika pada voltase dan arus terminal dalam kasing statis. Seperti yang Anda lihat, semua kondisi di atas berlaku untuk BJT jenuh.

Kebingungan Anda mungkin berasal dari asumsi implisit perangkat linier , yang bukan BJT.


Terima kasih telah menyalin jawaban Anda, saya menghapus duplikat sebelum jawaban Anda muncul maaf.
Trevor_G

3
Tampaknya asal mula kebingungan adalah dengan mengasumsikan bahwa arus hanya dapat berupa arus melayang. Difusi saat ini tidak harus mematuhi medan listrik, sebenarnya itu fakta bahwa ia dapat mengalir meskipun medan listrik berlawanan yang membuat transistor mampu ... aksi transistor.
Sredni Vashtar

1
@ Trevor_G Dari komentar Anda, saya menduga Anda berpikir bahwa transpor elektron digerakkan oleh medan listrik saja, yaitu gradien potensial listrik. Sebenarnya, yang menggerakkan transpor elektron adalah potensi elektrokimia , yang memperhitungkan ketidakhomogenan sistem, karena konsentrasi pembawa yang bervariasi di persimpangan. Inhomogeneity inilah yang menghasilkan arus difusi.
Massimo Ortolano

2
@ Trevor_G, Seperti kata Massimo, itu adalah gradien dalam konsentrasi yang menimbulkan arus difusi. Sama seperti gas dapat mengembang ke atas meskipun gravitasi. Elektron dalam semikonduktor lebih seperti gas (Anda dapat memindahkannya dengan pompa, tetapi mereka juga dapat bergerak karena gradien konsentrasi), sedangkan dalam konduktor mereka lebih seperti cairan (karena tidak dapat dimampatkan, Anda perlu pompa untuk membuat itu bergerak). Tampak bagi saya Anda bertanya: bagaimana saya bisa memindahkan gas ini tanpa pompa yang mendorong ke arah itu?
Sredni Vashtar

1
Juga, jika entah bagaimana Anda berhasil menghilangkan komponen arus difusi, misalnya dengan menempatkan lapisan konduktor di tengah-tengah pangkalan, Anda akan langsung 'mengembunkan' gas itu dalam cairan, bahwa dengan disapu keluar dari pangkalan akan membunuh aksi transistor. Anda akan berakhir dengan dua dioda kembali ke belakang, dan dalam hal itu keberatan Anda pada potensi akan valid. Masalahnya adalah, Anda tidak dapat mencapai nilai arus yang sama dan potensi yang Anda miliki dalam transistor.
Sredni Vashtar

3

Perlu diingat bahwa basis tidak memiliki voltase yang sama di seluruh area. Ada resistensi "lembaran" yang tidak dapat direduksi yang terkait dengan pangkalan, yang koneksi eksternalnya harus berada di ujung struktur dalam arti tertentu. Karena ada distribusi arus dalam "lembar" itu, ada juga distribusi tegangan.

Jadi, dalam kejenuhan, arus yang mengalir ke terminal basis melewati kedua persimpangan dioda maju-maju (BE dan BC), dekat terminal dasar. Arus yang mengalir ke kolektor kemudian mengalir ke emitor melalui bagian berbeda dari pangkalan yang lebih jauh dari terminal pangkalan.

Pada dasarnya, penurunan tegangan melintasi resistansi dasar yang melekat inilah yang memungkinkan distribusi tegangan yang kita lihat di terminal eksternal.


Ya saya pikir itu mungkin sesuatu seperti itu juga, tapi kemudian saya menyadari jika itu yang terjadi maka poin yang jauh tidak akan maju bias dan tidak melakukan, sehingga ide semacam berantakan.
Trevor_G

Tidak, itu tidak berantakan. Tidak ada alasan bahwa beberapa daerah tidak bisa maju bias sementara yang lain tidak. Berhenti berpikir dalam hal elemen rangkaian yang disatukan - bidang bervariasi terus menerus dalam transistor, terutama selama saturasi. Bagian-bagian yang tidak bias maju berfungsi dengan cara "klasik" yang dijelaskan Jonathan S.
Dave Tweed

0

BJT adalah perangkat saat ini. Ketika di daerah aktif, banyak elektron (emitor sangat diolah dan lebih negatif dari basis) emitor masuk ke basis (didoping ringan) dan beberapa jatuh ke dalam lubang dasar yang lebih sedikit, tetapi sebagian besar menyebar ke kolektor, menyebabkan Ic . Ketika jenuh, pengumpul juga lebih negatif dari pada dasarnya, sehingga memberikan kontribusi beberapa elektron ke dasar. Karena kolektor berkontribusi lebih banyak elektron ke pangkalan (Vbc lebih positif), maka arus kolektor-emitor akan lebih rendah. Saat Vbc semakin kecil (Vce (sat) lebih tinggi), arus saturasi bisa lebih tinggi. Jadi sekali dalam saturasi, tegangan kolektor naik dengan arus kolektor.

Anda dapat menjalankan transistor dengan kolektor dan emitor terbalik. Karena kolektor didoping ringan dibandingkan dengan emitor, penguatannya buruk, tetapi Vce (sat) akan turun dalam kisaran mV tunggal. Di era pra-FET, kami menggunakan pendekatan ini untuk memasukkan input analog ke dalam sampel dan penyimpanan, dll.


0

Ini adalah pembawa yang berbeda dan mode pergerakan yang berbeda. Berbicara tentang NPN.

Ketika Anda meningkatkan tegangan basis, Lubang mulai bergerak melintasi penghalang potensial persimpangan BE dan Anda mendapatkan lebih banyak elektron kembali. Elektron bergerak melintasi basa dengan difusi, bergerak dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah, mereka tidak digerakkan oleh tegangan.

Anda berakhir dengan sekelompok elektron bebas di persimpangan BC membentuk daerah bermuatan negatif dan mereka tersapu oleh tegangan positif pada kolektor.


1
Pertanyaan yang sangat menarik, apakah Anda akan membuatnya menjadi seri :).
RoyC

Terima kasih atas deskripsi dan pujiannya. Bagian "mereka tersapu oleh tegangan positif pada kolektor" adalah salah satu dari mereka ... jangan terlalu memikirkannya. Menjadi dioda bias terbalik, elektron yang menumpuk di sisi dasar harus mematikan mode dioda itu, bukan menyala. Untuk menyalakannya kita perlu lubang untuk menumpuk di sana .. bukan elektron, atau, atau elektron untuk menumpuk di sisi kolektor persimpangan. Sesuatu tidak bertambah.
Trevor_G

Tidak itu bukan dioda jika itu adalah dioda Anda akan memiliki lubang menumpuk di sana bukan elektron, Inilah sebabnya mengapa memiliki dua dioda secara seri tidak membuat transistor.
RoyC

:) Ya saya mengerti itu, tapi masih, menurut teori klasik, penghalang persimpangan antara basis dan kolektor. Apa yang membuatnya berbeda dari back to back diode adalah hanya ada satu, sangat tipis, anoda pusat atau katoda. Ini memang menarik, yang tidak sejelas model sederhana yang kami terima.
Trevor_G

Intinya adalah bahwa tidak mungkin untuk membentuk daerah penipisan dioda di persimpangan CB di hadapan massa elektron. Dalam dioda normal Anda hanya akan memiliki lubang di sisi P persimpangan dan ini akan ditarik jauh dari persimpangan oleh lapangan. Elektron ditarik melintasi persimpangan yang memberi Anda arus kolektor.
RoyC

0

POTENSI JUNCTION YANG TIDAK RECTIFYING. Itulah triknya.

Semua orang kehilangan fakta sederhana yang sangat mendasar. (Kebanyakan buku teks pemula juga melewatkan ini. Bahkan beberapa pakar teknik tampaknya tidak mengerti.) Fakta: persimpangan selalu memiliki tegangan melintanginya, bahkan ketika tidak bertenaga, bahkan ketika itu logam-silikon tanpa efek dioda ... dan bahkan ketika persimpangannya besi-tembaga, krom-alumel, dll.

Dengan kata lain, jika kita ingin memahami segala sesuatu tentang dioda dan transistor, kita tidak boleh mengabaikan fisika termokopel dan JUNCTIONS NON-RECTIFYING. Jika kita melakukannya, maka Vce menjadi tidak bisa dijelaskan, sebuah misteri kelam rekayasa.

[akan datang lebih banyak lagi]


-1

Idealnya Vbe cocok dengan Vcb dan keduanya meneruskan perilaku dengan Vce (sat) = 0 di Imax dan Ic / Ib = 10.

Seperti yang ditunjukkan oleh Dave T., ketahanan penyebaran dasar Vbe (alias seri efektif R atau ESR) tidak seragam tetapi dengan membuat beberapa sumur basis sempit secara paralel kinerjanya meningkat.

Ketika ESR dari persimpangan BE yang lebih tinggi dan lebih tinggi lebih tinggi dari ESR yang lebih besar dari persimpangan CB, kita mendapatkan Vbe yang lebih tinggi daripada Vcb sehingga Vce (sat) naik. Keuntungan saat ini sekarang telah turun menjadi sekitar 10% dari maks.

  • Proses epitaksi biasanya planar daripada vertikal.
  • implantasi ion digunakan untuk emitor dan sambungan basa.
  • RCE
  • lebih banyak elektron yang dirusakkan ke dalam basa daripada lubang ke emitor
  • Karena basis dibuat sangat sempit, kebanyakan elektron emitor bergerak melalui basis dan mencapai kolektor

masukkan deskripsi gambar di sini

Zetex menemukan sekitar 100 paten proses di sekitar teknologi epitaxial ini dan sekarang karena Diodes Inc memiliki banyak produk meskipun lebih mahal memiliki ukuran cetakan yang serupa dengan Rce dalam 10-an miliohm, jauh dari kaleng TO-3 yang usang dengan Rce dalam kisaran 1 Ohm. Ini mengurangi pembuangan panas pada arus tinggi secara signifikan.

ON Semi juga memiliki komponen VCE (sat) rendah.

SOT-23 ini memiliki volume <13 sen dan memiliki Rce = 45 mOhm maks. Vce maks = 12V

masukkan deskripsi gambar di sini


Apa masalahnya? Tegangan dasar menciptakan medan untuk melakukan CE
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Tidak ada bantahan cerdas -1
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.