Grundlegende Fragen zu BJT-Transistoren

Lassen Sie uns zuerst einige Ihrer Missverständnisse aufklären. Dies wird einige Zeit dauern.

Doping ändert nichts an der Nettoladung. Für jedes eingeführte Phosphoratom wird ein freies Elektron eingeführt. Es wird aber auch ein zusätzliches (im Vergleich zu Silizium) Proton eingeführt. Nach der Dotierung ist das Silizium noch elektrisch neutral.

Durch Dotierung ändert sich die Ladungsträgerdichte. In der N-dotierten Region verbinden sich vier Phosphor-Valenzelektronen mit vier benachbarten Siliziumatomen, und der Phosphor rastet sauber im Kristallgitter ein. Das verbleibende Elektron wird (muss) in einen Zustand höherer Energie angehoben, in dem es im Wesentlichen nicht an das Atom gebunden ist, das es gespendet hat, und sich daher „frei“ bewegen kann. Wie ich schon sagte, wird seine Ladung durch das zusätzliche Proton des Phosphors aufgehoben, aber das Elektron ist frei, während das Proton unbeweglich ist (im Kern stecken bleibt).

In ähnlicher Weise rastet das Bor beim Dotieren mit Bor sauber in das Kristallgitter ein, obwohl es ein Elektron weniger hat, als es sollte. Es gibt dann eine Leerstelle (ein Loch) in den Valenzbindungen, die es mit seinen Nachbarn bildet. Dieses Loch kann durch ein benachbartes Elektron gefüllt werden, aber das öffnet dann eine Leerstelle, woher dieses Elektron kam. Auf diese Weise führt das Dotieren mit Bor Ladungsträger ein, die man sich am bequemsten als Löcher vorstellt , die eine positive Ladung haben. Ein Loch ist kein "echtes" subatomares Teilchen, aber es ist bequem, damit geistig zu arbeiten. (Es ist viel einfacher, sich ein einzelnes Loch vorzustellen, das sich bewegt, als die große Population von Elektronen, die sich um einen Raum bewegen und versuchen, es zu füllen!)

Wenn ein P-dotiertes Gebiet ein N-dotiertes Gebiet berührt, bildet sich eine "eingebaute Spannung": Das N-Gebiet wird positiv und das P-Gebiet wird negativ. Ich sage es noch einmal: Die N-Region ist POSITIV und die P-Region ist NEGATIV. Das scheint zunächst rückwärts, aber lassen Sie mich erklären.

Denken Sie daran, dass sowohl die N- als auch die P-Region neutral begonnen haben. Wenn sie sich berühren, sollten die Elektronen und Löcher nirgendwo hingehen, weil alles neutral ist, richtig? Falsch. Auf der N-Seite haben Elektronen eine hohe Dichte, während sie auf der P-Seite sehr selten sind. Aufgrund des Ungleichgewichts trägt ein als Diffusion bezeichneter Prozess Elektronen zur P-Seite.

Diffusion ist der Prozess, der einen Furz durch ein Klassenzimmer trägt. Thermische (Wärme-) Energie in der Luft wackelt und schubst die Furzmoleküle in willkürliche Richtungen. Jedes Molekül nimmt einen Weg, der als Trunkenheitsgang bezeichnet wird . Im Durchschnitt neigen die Furzmoleküle dazu, sich von Regionen mit hoher Dichte zu Regionen mit niedriger Dichte zu bewegen. Das liegt nicht daran, dass sie sich gegenseitig abstoßen oder so; es ist nur ein Produkt des Zufalls. Mit genügend Zeit verteilt Wärmeenergie den Furz, bis er gleichmäßig im gesamten Klassenzimmer verteilt ist.

Auch Elektronen würden sich durch zufällige Kollisionen mit dem Kristallgitter gleichmäßig ausbreiten, wenn ihre Ladung nicht wäre. Wenn Elektronen von der N-Region zur P-Region diffundieren, tragen sie eine negative Ladung mit sich (und hinterlassen positiv geladene Kerne oder positive Ionen). Somit wird die P-Region negativer und die N-Region positiver. Schließlich bildet sich eine Spannung, die eine weitere Diffusion stoppt, und dies wird als eingebaute Spannung bezeichnet . Es ist normalerweise ungefähr 0,8 V. Alle PN-Übergänge haben eine eingebaute Spannung im Inneren, die Sie jedoch nicht mit einem Multimeter messen können, da sich beim Berühren des Siliziums ein Kontaktpotential bildet, das sich aufhebt.

Ich sollte hier anmerken, dass dasselbe mit Löchern passiert: Löcher sind auf der P-Seite im Überfluss vorhanden, sodass sie zur N-Seite diffundieren, wodurch sie positiver wird, während negative Ionen auf der P-Seite zurückbleiben.

Es ist die eingebaute Spannung, die dem Stromfluss entgegenwirkt. Das Reduzieren dieser Spannung durch Anlegen einer Durchlassvorspannung ermöglicht, dass Elektronen wieder von der N- in die P-Region diffundieren, und in ähnlicher Weise ermöglicht es Löchern, von der P- in die N-Region zu diffundieren. Denken Sie daran, dass die eingebaute Spannung den P-Bereich negativer macht. Wenn Sie es wieder positiver machen, wird die Barriere für Elektronen verringert, dorthin zu gelangen. Was einige von ihnen tun werden, einfach weil sie durch thermische Energie dorthin geschleudert werden.

Um also in einem NPN-Transistor Strom zum Fließen zu bringen, sollte die Spannung des P-Bereichs (der Basis) positiver gemacht werden als die des Emitters.

Noch ein Hinweis: Der Strom ist nicht proportional zur Spannung, sondern exponentiell zur Spannung.

Einmal in der Basis, wandern Elektronen zufällig herum, bis sie gesammelt werden. Nach dem Vorspannen des Basis-Emitter-Übergangs in Vorwärtsrichtung diffundieren Elektronen in die Basiszone und wandern dann umher. Denken Sie daran, dass der Kollektor unter Hochspannung steht, sodass alle Elektronen, die es schaffen, dorthin zu gelangen, [fast sofort] hineinfallen. (Elektronen gehen gerne in Richtung höherer Spannung.) Daher wird im Basisbereich ein Konzentrationsgradient aufgebaut: Nullkonzentration am Basis-Kollektor-Übergang und Nicht-Null-Konzentration am Basis-Emitter-Übergang. Dieser Gradient verursacht einen Elektronenfluss vom Emitter zum Kollektor. Auch hier handelt es sich um einen völlig zufälligen, thermischen Prozess.

---

Nun... Kommen wir zu Ihren Fragen. Ich bin sicher, Sie werden mit mehr randvoll sein, aber jeder fängt irgendwo an.

Warum haben BJTs eine Polarität, da sich unabhängig von der Polarität auf beiden Seiten der "P" -Scheibe eine "N" -Scheibe befindet? Was ist der Unterschied zwischen Kollektor und Emitter?

Der Emitter ist bewusst sehr stark dotiert . Dies bedeutet, dass, wenn Sie den Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorspannen, mehr Elektronen von N nach P diffundieren als Löcher von P nach N. Dies verbessert die Transistoren$\beta$. Dies bedeutet jedoch auch, dass der Basis-Emitter-Übergang eine sehr niedrige Durchbruchspannung hat (typischerweise etwa 7 V). Da der Kollektor keine Elektronen in die Basis injizieren soll, kann er schwächer dotiert werden, um eine höhere Durchbruchspannung (z. B. 100 V) zu ermöglichen.

Wo findet man auf einem Datenblatt das "Verhältnis" der Ladung von "P" zum Gesamtstrom, der durch den Transistor fließen darf?

Die Laufzeit bestimmt, wie viel Ladung in der Basis gespeichert werden muss, um einen bestimmten Strom zu erhalten. Nämlich, wenn es im Schnitt dauert$\tau_B$Sekunden, damit ein Elektron vom Emitter zum Kollektor wandert, dann die in der Basis gespeicherte Ladung, um einen Strom von zu erhalten$I_C$muss sein$Q=\tau_BI_C$.

Die Übergangsfrequenz $f_T$wird oft in Datenblättern aufgeführt, und Sie können die Laufzeit nach finden$\tau_B=\frac{2\pi}{f_T}$.

Auch zum Aufladen der Sperrkapazität muss etwas Aufpreis investiert werden .

Wenn wir negative Ladung an "P" anlegen und Strom durch den Transistor gelassen wird, wird der Strom an "P" angelegt (abzüglich der Ladung, die erforderlich ist, um die positive Ladung von "P" zu überwinden) für die Fahrt? IE soll der angelegte Strom zum Strom am Emitter addiert werden?

Jeder Strom, der in die Basis fließt, fließt tatsächlich durch den Emitter (und nicht durch den Kollektor). Zum Glück ist dies normalerweise ein kleiner Strom, etwa 1% des im Kollektor fließenden Stroms.

Bei Verwendung in einer Schaltung kann ein NPN-Transistor nur an den Strompfad angelegt werden, der elektrisch mit dem negativen Anschluss Ihrer Stromquelle verbunden ist, richtig?

Ich weiß nicht, was Sie damit meinen.