Transistor (BJT) als zwei Dioden

Ich wollte in der referenzierten Frage absichtlich nicht auf diese Detailebene eingehen, da dies die Antwort (die bereits ziemlich kompliziert war) weiter erschweren würde. Daher bin ich froh, dass Sie sich entschieden haben, eine neue Frage zu stellen und sie nicht nur zu posten als Kommentar.

Beschränken wir die Diskussion wieder auf folgende Konfiguration:

Tatsächlich erscheint dies etwas seltsam: Warum können Träger über einen Monolithen hinweggefegt (diffus) werden?$p$Basis in einer NPN-Struktur, kann aber nicht zwischen zwei benachbarten transportiert werden$p$Seiten von Dioden über einen Metalldraht? Warum verursacht Metall einen solchen Unterschied?

Metall-Halbleiter-Kontakt

Die Antwort liegt in der Natur von Metall-Halbleiter-Kontakten. Solche Kontakte besitzen ein gleichrichtendes Verhalten, das dem Verhalten von PN-Dioden sehr ähnlich ist. In der Tat, wenn Sie ein Metall anschließen$p$Typ Halbleiter - das Metall verhält sich wie ein sehr stark dotierter$n$Typ. Die resultierende Diode könnte man a nennen$N^{+++}P$Diode, aber sie sind allgemein als Schottky-Dioden bekannt .

Wenn jedoch jeder Kontakt einer Schottky-Diode entspricht, warum berücksichtigen wir diese Dioden dann nicht, wenn wir sogar eine eigenständige PN-Diode analysieren? Diese Diode hat zwei Kontakte, daher sollte sie als PN-Diode zwischen zwei Schottky-Dioden dargestellt werden, richtig? Nun, wenn dies der Fall wäre, würden Halbleiter niemals die Bedeutung bekommen, die sie heute haben.

Erinnern Sie sich daran, dass die Verteilung der Breite des Verarmungsbereichs in einer regulären PN-Diode durch die relativen Dotierungsniveaus der bestimmt wird$p$Und$n$Regionen – die Verarmungsregion erstreckt sich hauptsächlich in die leichter dotierte Seite. Ein Metall-Halbleiter-Übergang ist der Extremfall eines PN-Übergangs - die Verarmungszone ist nur auf der Halbleiterseite vorhanden, und je stärker der Halbleiter dotiert ist, desto schmaler ist diese Verarmungszone:

Wenn die Breite des Verarmungsbereichs sehr klein wird, tritt ein quantenmechanischer Effekt namens Tunneln auf. Sehr vereinfacht kann man sich Ladungsträger so vorstellen, dass sie „durch die Wand gehen“ können – sie können auf der einen Seite der Verbindungsstelle verschwinden und auf der anderen Seite wieder auftauchen. Dieser Effekt ermöglicht es Ladungsträgern, die durch einen Metall-Halbleiter-Übergang auferlegte Gleichrichtungsbeschränkung zu überwinden – sie können nun in jeder Richtung über den Übergang hinweggefegt werden. Da gezeigt werden kann, dass die Rate, mit der Ladungsträger über den Übergang tunneln, linear von der angelegten Vorspannung abhängt, sind diese Tunnelkontakte als ohmsche Schottky-Kontakte oder einfach als ohmsche Kontakte bekannt .

Dies hängt nicht direkt mit Ihrer Frage zusammen, aber es kann hilfreich sein, sich daran zu erinnern, dass dies die ohmschen Kontakte sind, die verwendet werden, um die Halbleiter, aus denen ein Gerät besteht, mit dem Metall der Verbindungen und Leitungen zu verbinden (es sei denn, Sie sind ausdrücklich daran interessiert, dies zu erreichen Berichtigung). Daher besteht die übliche PN-Diode aus mehr als nur zwei Halbleiterbereichen:

Der Zweck der zusätzlichen Region ($p^+$für$pn^+$Diode;$n^+$für$p^+n$Diode) soll die Bildung eines ohmschen Kontakts zwischen einer leicht dotierten Seite und einem Metall ermöglichen.

Also warum nicht?

Bisher war dies eine Einführung. Jetzt verstehen Sie, warum ich diese Erklärung in der ursprünglichen Antwort übersprungen habe, oder? :)

Jetzt haben wir genug Hintergrundwissen, um die Frage zu beantworten: Warum können Träger über die$p$Geben Sie Base ein, aber nicht über das Metall?

Der Unterschied besteht hier darin, dass in NPN-Strukturen die Ladungsträger diffundieren – sie bewegen sich aufgrund von Konzentrationsgradienten. Es ist kein elektrisches Feld erforderlich, das dazu führen würde, dass die Träger in Richtung des CB-Übergangs driften. Tatsächlich ist diese Diffusionsbewegung eine Art "gegen das Feld", weil die positive Vorspannung, die mit der Basiselektrode verbunden ist, die Elektronen "anzieht".

In der Konfiguration mit zwei Back-to-Back-Dioden können die Elektronen von der unteren Diode in die Metallverdrahtung tunneln (aufgrund von$V_{BE}$), aber es gibt kein elektrisches Feld, das dazu führen würde, dass sie vom Metalldraht in die obere Diode tunneln. Warum gibt es kein elektrisches Feld? Denn egal wie hoch die Spannung an der in Sperrichtung vorgespannten PN-Diode ist, sie wird über den internen Verarmungsbereich (der sich ausdehnt, um diese Überspannung aufzunehmen) abfallen. Daher fällt am Kontakt der oberen Diode keine Spannung ab, und alle Elektronen, die in den Draht tunneln, werden zur Stromquelle geleitet (unter Vernachlässigung des Leckstroms der oberen Diode).

Ein BJT ist ein NPN -Gerät, das den hier entscheidenden PN-Übergang nutzt . Es ist nicht die Tatsache, dass ein Stück P-Typ und N-Typ nebeneinander liegen, sie sind so nahe beieinander (dh auf atomarer Ebene), dass es an der Verbindungsstelle zu einer Migration kommt

Eine Diode als PN-Übergang wird sehr, sehr schnell zu P-dep-N, wenn die Ladung wandert. Dieser Verarmungsbereich ist für die Erzeugung des erforderlichen Spannungsabfalls von etwa 0,6 V verantwortlich. Wenn Sie eine Diode in Sperrrichtung vorspannen, wächst dieser Verarmungsbereich, BIS zu viel Spannung angelegt wurde und das gesamte Gerät zusammenbricht.

Nehmen Sie jetzt einen BJT: NPN. Dies wird SEHR schnell zu N-dep-P-dep-N, woher wiederum die 0,6-Vbe-Anforderung kommt.
Wenn Sie Ladung in die P-dotierte Basis injizieren, werden diese Minoritätsträger in den Verarmungsbereich hochgefegt und das BE (das einer Diode ähnelt) in Vorwärtsrichtung vorgespannt, aber dabei wird der andere PE-Übergang (CB) gleichermaßen beeinflusst.

Wenn Sie nun zwei Dioden, zwei PN-Dioden nehmen und sie auf einer Leiterplatte platzieren, erhalten Sie Folgendes:

--trace--N-dep-P---trace---P-dep-N--trace Sie erzeugen keinen erforderlichen PN-Übergang zwischen den beiden Versuchen, eine Base zu erzeugen. Es gibt keine Minoritätsladungsmobilität.

Schrumpfen Sie es jetzt, bringen Sie sie näher und näher und näher, auf Substratebene, und irgendwann wird eine Art Ladungsmigration auftreten, ABER die Geometrien sind so, dass Sie ein extrem schlecht dotiertes NPN herstellen