Mengapa Vbe konstan 0,7 untuk transistor di wilayah aktif?

Saya akan mengambil contoh penguat emitor sederhana yang umum . Lupakan tentang bias dan hal-hal lain untuk saat ini, tetapi fokuslah pada inti dari rangkaian ini. Seperti yang saya pahami, tegangan antara simpul dasar dan simpul emitor bervariasi yang pada akhirnya diperkuat oleh transistor, menyebabkan inverted (versi yang diperkuat) dari sinyal asli muncul pada simpul pengumpul.

Saat ini, saya sedang mengerjakan buku; Sedra / Smith, Mikroelektronika.

Sepanjang bab yang saya kerjakan, dikatakan bahwa di wilayah aktif, Vbe diasumsikan 0,7V . Ini tidak masuk akal bagi saya, bagaimana bisa Vbe tetap konstan ketika itu sendiri adalah variabel input untuk tahap penguat? Ini mungkin mulai masuk akal bagi saya jika saya melihat pada tahap CE dengan resistor emitor (degenerasi emitor), di mana tegangan yang tersisa dapat dijatuhkan di resistor. Tapi ini bukan masalahnya, jadi terangkanlah aku!

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Menghilangkan persamaan arus kolektor:

hasil:

Sebagai contoh, mari

Dengan nilai-nilai ini, temukan itu

Sekarang, gandakan arus kolektor dan temukan itu

Meningkatkan arus kolektor 100% hanya meningkatkan tegangan basis-emitor 2,45%

Jadi, sementara itu tidak benar bahwa tegangan basis-emitor adalah konstan, itu bukan perkiraan yang buruk untuk menganggapnya konstan pada rentang arus kolektor yang relatif luas.

Vbe dalam transistor silikon, bertindak seperti silikon dioda. Forward Voltage Drop, setelah sejumlah arus dilewati, naik tajam. Meningkatkan arus membuat perbedaan Vf diabaikan pada titik itu.

Perhatikan bahwa Vf berbeda untuk Germanium Diode, dan Transistor, secara alami.

Model Ebers-Moll untuk arus emitor dalam transistor bipolar adalah:

$I_e \approx I_{es} e^{\frac{V_{be}}{V_t}}$

$I_e$$V_t\ \approx 26mV$$V_{be}$$I_{es} = 10^{-12}$

Plot Ebers-Moll

$V_{be}$

$V_{be}$$V_{be}$

$V_{be}$

$V_{be}$$V_{be}$

Tingkat Fermi adalah energi rata-rata elektron seluler (atau lubang) dalam bahan semikonduktor. Tingkat Fermi dinyatakan dalam elektron volt (eV), dan dapat dipandang mewakili tegangan yang terlihat oleh elektron.

Silikon intrinsik (dan germanium) memiliki tingkat Fermi di tengah antara tepi atas pita valensi dan tepi bawah pita konduksi.

Saat Anda menggunakan silikon untuk tipe-P, Anda menambahkan banyak lubang. Sekarang Anda memiliki lebih banyak negara operator yang tersedia di dekat bagian atas pita valensi, dan ini mendorong tingkat Fermi turun dekat ke tepi pita valensi. Demikian pula, ketika Anda menggunakan tipe N, Anda menambahkan banyak elektron, yang menciptakan lebih banyak status pembawa yang tersedia di dekat pita konduksi, dan mendorong level Fermi dekat dengan tepi pita konduksi.

Untuk level doping yang biasanya ditemukan di persimpangan basis-emitor, perbedaan level Fermi antara sisi P dan N adalah sekitar 0,7 electron-volts (eV). Ini berarti bahwa elektron yang bergerak dari N ke P melepaskan energi 0,7 eV (dalam bentuk foton: Di sinilah dioda pemancar cahaya mendapatkan cahayanya: bahan dan doping dipilih sedemikian rupa sehingga perbedaan tingkat Fermi melintasi persimpangan) menimbulkan foton pada panjang gelombang yang diinginkan, seperti yang ditentukan oleh persamaan Planck). Demikian pula, elektron yang bergerak dari P ke N harus mengambil 0,7 eV di suatu tempat.

Singkatnya, Vbe pada dasarnya hanyalah perbedaan tingkat Fermi di dua sisi persimpangan.

Ini adalah bahan Semikonduktor 101, karena Anda harus memahami ini sebelum melangkah lebih jauh. Fakta bahwa itu 101 TIDAK berarti itu sederhana, atau mudah: Dibutuhkan dua semester kalkulus, dua semester kimia, dua semester fisika, dan satu semester persamaan diferensial, untuk meletakkan dasar prasyarat untuk teori semikonduktor. kelas yang menjelaskan semua hal di atas dalam detail berdarah.

$V_{BE} = 0.7V$

$V_{BE}$

Pertanyaan bagus. Vbe yang sering dikutip dari 0,7V hanyalah perkiraan. Jika Anda mengukur Vbe dari transistor yang secara aktif menguatkan itu akan menunjukkan Vbe 0,7V atau sekitar multimeter, tetapi jika Anda dapat memperbesar 0,7 itu, seperti yang Anda bisa dengan osiloskop, Anda akan melihat variasi kecil di sekitarnya , jadi pada satu saat kapan saja itu mungkin 0.6989V atau 0.70021V sebagai sinyal input yang berada pada bias itu - yang Anda ingin diperkuat - berfluktuasi tentang titik bias itu.

$v_{BE}$$v_{BE}$$v_{ce}$

$v_{BE}$$V_{BE}$$v_{BE}=V_{BE} + v_{be}$$V_{BE}$$0.7V$$v_{be}$

Pertanyaan Anda sangat bagus

Transistor, secara teori saja, sepenuhnya tertutup untuk Ube apa pun <0.7V dan terbuka penuh untuk Ube> = 0.7V. Dalam beberapa transistor berdaya rendah, Ube yang diidealkan ini dapat berukuran 0.6V atau 0.65V.

Dalam praktiknya, Ube dapat berkisar dari 0V hingga 3V bahkan lebih untuk transistor daya tinggi. Dalam praktiknya, transistor sedikit terbuka untuk Ube> 0 dan terus meningkatkan keterbukaan dengan peningkatan Ube.

Namun, seperti yang disebutkan, ketergantungan Ice atau, lebih baik dikatakan, Rce dari Ube sangat tidak linier setelah titik tertentu dan, dengan demikian, peningkatan Ice tidak mengarah ke peningkatan Ube yang besar, namun, ada yang seperti itu.

Di bawah 0.7V, peningkatan Ice bisa agak linier dan ini tergantung pada transistor.

Ube maksimal pada Ice maksimal dengan mudah 2.5V hingga 3V untuk transistor daya besar dan Ice lebih besar dari 25A.

Satu hal yang pasti: dalam aplikasi analog, ketergantungan Ice dari Ube harus dipertimbangkan, terutama untuk daya tinggi atau transistor arus tinggi.

Lihatlah 2N5302 yang memiliki Ube = 3V pada Ice = 30A dan Uce = 4V.

Di akhir posting ini, Anda akan tahu cara menghitung kenaikan tegangan bipolar.

Mari kita periksa tabel Vbe versus Arus Kolektor, untuk bipolar imajiner:

VBE Ic

0,4 1uA

0.458 10uA Perhatikan 58mV lebih banyak Vbe memberikan persis 10X lebih banyak saat ini.

0,516 100uA

0,574 1mA

0,632 10mA

0,690 100mA [transistor PANAS, sehingga arus dapat meloloskan dan melelehkan transistor (risiko yang diketahui dengan bipolar bias dengan tegangan basis konstan)]

0,748 1AMP transistor adalah PANAS

Transistor 10Amps 0.806 adalah PANAS

Bisakah kita benar-benar mengoperasikan transistor bipolar lebih dari 1uA ke arus kolektor 10Amps? Ya, jika ini adalah transistor daya. Dan pada arus yang lebih tinggi, tabel halus ini - menunjukkan 58 miliVolts lebih banyak Vbe menghasilkan 10X lebih banyak arus --- kehilangan akurasi karena silikon curah memiliki resistansi linier dan pelacak kurva akan menunjukkan hal itu.

Bagaimana dengan perubahan yang lebih kecil dari 58mV? Vbe Ic 0,2 volt 1nanoAmp (sekitar 3 faktor 58mV di bawah 1uA pada 0,4v) 0,226 2,718 nanoAmp (0,026v fisika memberikan E ^ 1 lagi I) 0,218 2.000 nanoAmp 0,236 4,000 nanoAmp 0,254 8,000 nanoAmp (Anda akan menemukan N * Referensi tegangan 18mV)

OK, cukup tabel. Mari kita lihat transistor bipolar mirip dengan tabung vakum atau MOSFET ............... sebagai transkonduktor, di mana perubahan Tegangan Input menyebabkan perubahan Arus Keluaran.

Bipolar menyenangkan untuk digunakan, karena kita tahu PERSIS transkonduktansi untuk setiap bipolar, jika kita tahu arus kolektor DC (yaitu, tanpa input sinyal AC).

Untuk singkatan, kita label ini 'gM' atau 'gm', karena buku tabung vakum menggunakan variabel "saling transkonduktansi" untuk menjelaskan bagaimana tegangan Grid mengendalikan arus Plat. Kita dapat menghormati Lee deForest dengan menggunakan gm untuk ini.

Gm dari bipolar, pada 25 derajat Celcius, dan mengetahui kt / q adalah 0,026 volt, adalah -------> Ic / 0,026 dan jika arus Kolektor adalah 0,026 amp (26 miliAmps), gm adalah 1 amp per volt.

Jadi 1 millivolt PP di pangkalan menyebabkan arus AC kolektor 1milliAmp PP. Mengabaikan beberapa distorsi, yang dapat Anda prediksi menggunakan Taylor Series. Atau tulisan Barry Gilbert tentang IP2 dan IP3 untuk bipolar.

Misalkan kita memiliki resistor 1Kohm dari kolektor ke +30 volt, membawa 26mA. Vce adalah 30 - 1K * 26ma = 30 - 26 = 4 volt, sehingga bipolar berada di wilayah "linear". Apa keuntungan kita?

Gain adalah gm * Rcollector atau 1 amp/volt * 1.000 ohm atau Av = 1.000x.

Pertanyaan anda adalah:

bagaimana bisa Vbe tetap konstan ketika itu sendiri adalah variabel input untuk tahap penguat?

Jawaban mudahnya adalah, yah, itu bukan:

1. $V_{BE}$
2. $V_{BE}$$I_b$

Tetapi sekarang saya akan mencoba menjawab apa yang saya yakini sebagai keraguan Anda yang sebenarnya. Saya pikir Anda mencampur konsep dari analisis DC dan analisis sinyal kecil dari rangkaian.

Apa yang Anda sebut "variabel input" sebenarnya memiliki komponen AC di atas komponen DC:

$V_{BE}$

Saya pikir sekarang Anda bisa melihat dari mana kebingungan Anda berasal. Jangan khawatir, ini adalah kebingungan yang cukup umum. Saya selalu berpikir bahwa sebagian besar guru dan buku tidak melakukan pekerjaan dengan baik dalam menjelaskan cara berpikir dalam hal analisis DC vs analisis sinyal kecil dan asumsi mana yang harus diterapkan di masing-masing.

Ringkasnya:

1. $V_{BE}$$V_{BE}$$I_b$

2. $R_c$$V_{cc}$$v_{BE}$$V_{BE}$

Catatan: Anda dapat menemukan sumber untuk diagram di atas di sini .