Strom durch den in Sperrrichtung vorgespannten Übergang im Transistor [geschlossen]

Es ist überraschend schwierig, eine schöne einfache Beschreibung der Funktionsweise eines Transistors zu finden. Diese Beschreibung stammt aus meinem alten Physikbuch - ich vermute, dass dies zu stark vereinfacht ist, und ich bin mir sicher, dass eine vollständige Beschreibung zu vielen Gleichungen führen würde!

Wie auch immer, so sieht ein NPN-Transistor aus:

Wie Sie sagen, ist der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt und es fließt kein Strom.

Obwohl es aus dem Bild nicht klar hervorgeht, ist die Basis sehr dünn und leicht dotiert, sodass die Lochdichte ziemlich gering ist. Sobald Sie eine Spannung an die Basis anlegen, fließen Elektronen vom Emitter in die Basis und beginnen sich mit Löchern zu verbinden. Diese Elektronen können dann den Basis-Kollektor-Übergang überqueren und es fließt ein Strom zwischen Emitter und Kollektor. Wenn Sie die Basisspannung weiter erhöhen, fließen mehr Elektronen vom Emitter in die Basis, sodass mehr in den Kollektor fließen und mehr Strom fließt. Auf diese Weise kann der kleine Strom zwischen Emitter und Basis den viel größeren Strom zwischen Emitter und Kollektor steuern.

Ein PNP-Transistor funktioniert genauso, aber umgekehrt.

Die Verarmungszone einer Sperrdiode ist in erster Näherung einfach ein isolierendes Gebiet. Dies erklärt jedoch nicht den Kollektorübergang eines Transistors. Wir müssen uns diesen Isolationseffekt genauer ansehen.

In Wahrheit blockiert eine Verarmungszone die Bewegung von dort befindlichen Ladungsträgern nicht. Stattdessen gibt es dort (normalerweise) überhaupt keine nennenswerte Trägerpopulation. Eine Verarmungszone ist ein Isolator wie ein leeres Vakuum: Eine Spannung, die an ein Vakuum angelegt wird, erzeugt keinen Strom, was zeigt, dass ein Vakuum isolierend ist ... dennoch würden alle von außen injizierten Ladungen leicht fließen.

In einer umgekehrten Diode könnten Elektronen von der n-dotierten Seite in die Verarmungszone eindringen. Aber sie würden durch das starke E-Feld in dieser Zone zurückgedrängt. Dasselbe passiert, wenn Löcher von der p-dotierten Seite in die Verarmungszone eindringen sollten: Sie werden wieder zurückgedrängt.

Aber was wäre, wenn wir ein paar Elektronen in die p-dotierte Seite unserer Diode werfen würden? Sicher, viele würden von den Löchern dort verschluckt werden. Einige würden jedoch in die Verarmungszone strömen, wo sie stark über den Übergang und auf die n-dotierte Seite gezwungen würden. (Je größer die Sperrvorspannung, desto schneller würden sich diese Ladungen bewegen.) Wenn also Ladungen auf der falschen Seite einer Sperrdiode abgelegt werden, wird ein großer Strom verursacht.

Und genau das tun Transistoren: Bei einem NPN-Transistor gibt die Emitterregion eine große Anzahl von Elektronen in die p-dotierte Basis ab. Aus Sicht des CB-Übergangs befinden sich diese Elektronen auf der falschen Seite dieser Diode. Ein paar werden von Löchern verschluckt, aber die Mehrheit wandert durch die Basisregion und schafft es bis zur Verarmungszone des Kollektors. Wenn sie es berühren, packt es sie und beschleunigt sie mit dem vollen Vcb-Spannungsfeld, wodurch sie in den Kollektorbereich geschleudert werden. (Ihr großer KE bewirkt, dass sich der Kollektor aufheizt.)

Also, heh, ein BJT ist ähnlich wie eine Vakuumröhrentriode, bei der die Kollektorregion wie eine positiv geladene Metallplatte ist und die Verarmungszone des Kollektorübergangs wie ein Vakuum mit einer großen angelegten Spannung ist. Und noch schlimmer[*], wenn wir bei NPN-Transistoren das anfänglich positive Vbe zwingen, immer negativer zu werden, schaltet es den Elektronenfluss ab, genau wie eine Gitterelektrode.

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[*] Schlimmer noch für diejenigen, die die Idee nicht mögen, dass BJT-Transistoren wie FETs und Vakuumtrioden sind: Sie verhalten sich wie Transkonduktanzkomponenten, wobei der Ausgangsstrom durch ein Spannungssignal gesteuert wird.

Bei Sperrvorspannung können Minoritätsträger Strom beitragen, nicht Majoritätsträger. Während der Sperrvorspannung der Kollektor-Basis-Diode wirken die Elektronen als Minoritätsträger in npn-Transistoren und aufgrund dieser Stromleitung findet statt.

Einfach ausgedrückt, und wir sprechen von einem NPN. Der Basis-Emitter-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, damit Strom in den Emitter injiziert werden kann. Der Transistor nutzt diesen kleinen injizierten Strom und verstärkt ihn in dem Strom, der vom Kollektor zum Emitter fließt. Die Mechanismen dafür sind kompliziert und ich werde sie nicht behandeln. Aber im Wesentlichen, wenn Sie auch wollen, dass der Basis-Kollektor-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, würde der verstärkte Strom auch in die Basis fließen. Sie hätten dann keinen Transistor, da diese Ströme getrennt gehalten werden müssen.

Der Kollektor-Basis-Übergang ist in Sperrrichtung vorgespannt, so dass er Mehrheitsladungsträger anzieht, und dieser Übergang bietet dem Strom einen hohen Widerstand (wie bei einer rev. PN-Übergangsdiode).