Warum können zwei in Reihe geschaltete Dioden nicht als BJT fungieren?

Viele Leute denken, dass die Antwort auf diese Frage mit der Breite des Basisbereichs in BJT-Transistoren zusammenhängt - das ist falsch. Die Antwort wurde ziemlich lang. Sie können ab dem Abschnitt „Tricky Question“ lesen, wenn Sie das Endergebnis wollen.

Ich glaube, dass Sie diese Frage aufgrund von etwas wie diesem Bild gestellt haben:

Dies ist eine Standardpraxis, um die Grundlagen von BJT zu lehren, aber es kann jemanden verwirren, der nicht mit der Halbleitertheorie im Detail vertraut ist.

Um Ihre Frage auf einem akzeptablen Niveau zu beantworten, muss ich davon ausgehen, dass Sie mit den Funktionsprinzipien der PN-Diode vertraut sind. Diese Referenz enthält eine detaillierte Diskussion von PN-Übergängen.

Die Antwort betrifft NPN-Transistoren, gilt aber nach entsprechendem Polaritätswechsel auch für PNP-Transistoren.

NPN in vorwärts aktiver Betriebsart:

Die "nützlichste" Betriebsart des BJT-Transistors wird als "vorwärts aktiv" bezeichnet:

NPN befindet sich im vorwärtsaktiven Modus, wenn:

• Der Basis-Emitter-Übergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt (normalerweise at$V_{BE}\approx 0.6V$)
• Der Basis-Kollektor-Übergang ist in Sperrrichtung vorgespannt ($V_{CB}>0$)

Da der Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, werden Elektronen vom Emitter zur Basis injiziert ($I_{E_n}$im Bild oben) und die gleichzeitige Injektion von Löchern von der Basis zum Emitter ($I_{B1}=I_{E_p}$im Bild oben). Emitterregion ($n^{++}$) ist viel stärker dotiert als die Basisregion ($p$), daher ist der Strom aufgrund von in die Basis injizierten Elektronen viel höher als der Strom aufgrund von in den Emitter injizierten Löchern.

Beachten Sie, dass die in den Emitter injizierten Löcher von der Basiselektrode (Basisstrom) geliefert werden, während die in die Basis injizierten Elektronen von der Emitterelektrode (Emitterstrom) geliefert werden. Das Verhältnis zwischen diesen Strömen macht BJT zu einem Stromverstärkungsgerät - ein kleiner Strom am Basisanschluss kann einen viel höheren Strom am Emitteranschluss verursachen. Die herkömmliche Stromverstärkung wird als Kollektor-zu-Basis-Stromverhältnis definiert, aber es ist das Verhältnis zwischen den oben genannten Strömen, das jede Stromverstärkung möglich macht.

Aufgrund der Injektion einer großen Menge an Elektronen vom Emitter neigen Elektronen dazu, durch den in Sperrrichtung vorgespannten Übergang von Basis zu Basis-Kollektor zu diffundieren. Sobald ein Elektron dort ankommt, wird es über die Kollektor-Basis-Verarmungsregion hinweggefegt und in den Kollektor injiziert, wodurch es zum Strom des Kollektors beiträgt ($I_C$im Bild oben).

Wenn nun alle diese vom Emitter injizierten Elektronen zu dem in Sperrrichtung vorgespannten Basis-Kollektor-Übergang diffundieren könnten, ohne anderen Effekten ausgesetzt zu sein, wäre die Breite des Basisbereichs überhaupt nicht von Bedeutung. In der Basis findet jedoch eine Rekombination statt.

Beim Rekombinationsprozess treffen die injizierten Elektronen auf Löcher und "neutralisieren" sich gegenseitig. Das injizierte Elektron geht bei diesem Vorgang "verloren" und trägt nicht zum Strom am Kollektoranschluss bei. Aber warten Sie, die Ladungserhaltung erfordert, dass das Loch, das mit dem injizierten Elektron rekombiniert wurde, von irgendwo her zugeführt wird, richtig? Es stellt sich heraus, dass die Rekombinationslöcher auch vom Basisanschluss versorgt werden ($I_{B2}$im Bild oben) wodurch der Strom der Basis erhöht und das Stromverhältnis von Emitter zu Basis verringert wird (was die Stromverstärkung des Transistors darstellt, erinnern Sie sich?).

Das Obige bedeutet, je mehr Elektronen während der Diffusion durch den Basisbereich rekombinieren, desto geringer ist die Stromverstärkung des Transistors. Es ist Sache des Herstellers, die Rekombination zu minimieren, um einen funktionsfähigen Transistor bereitzustellen.

Es gibt viele Faktoren, die die Rekombinationsraten beeinflussen, aber einer der wichtigsten ist die Breite der Basis. Es ist offensichtlich, dass je breiter die Basis ist, je länger es dauert, bis ein injiziertes Elektron durch die Basis diffundiert, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass es auf ein Loch trifft und rekombiniert. Hersteller neigen dazu, BJTs mit sehr kurzen Basen herzustellen.

Warum können also nicht zwei PN-Dioden Rücken an Rücken als ein einziges NPN funktionieren:

Die obige Diskussion hat erklärt, warum Base kurz sein muss. PN-Dioden haben (normalerweise) diese kurzen Bereiche nicht, daher ist die Rekombinationsrate sehr hoch und die Stromverstärkung ungefähr eins. Was bedeutet das? Das bedeutet, dass der Strom am „Emitter“-Anschluss gleich dem Strom am „Basis“-Anschluss und der Strom am „Kollektor“-Anschluss gleich Null ist:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Die Dioden funktionieren als eigenständige Geräte, nicht als einzelne BJT!

Knifflige Frage:

Mit unterschiedlicher Genauigkeit können viele Menschen Ihre anfängliche Frage so beantworten, wie ich es getan habe. Die interessantere Frage ist jedoch: Wenn wir machen$p$Wenn die Seiten beider Dioden sehr kurz sind, sodass die Summe ihrer Breiten nicht breiter als der Basisbereich des NPN-Transistors ist, funktionieren die Dioden als Transistor?

Diese Frage ist schwieriger zu beantworten, da die einfache Antwort "nein, die Basis von BJT ist sehr kurz" nicht mehr anwendbar ist.

Es stellt sich heraus, dass dieser Ansatz das Verhalten von zwei Dioden nicht einem einzelnen NPN-Transistor gleicht. Der Grund ist, dass am Metallkontakt der Diode, wo sich Metall und Halbleiter berühren, alle überschüssigen Elektronen mit den vom Kontakt gelieferten "Löchern" "rekombinieren". Es ist nicht die übliche Rekombination, da Metalle keine Löcher haben, aber die feine Unterscheidung ist nicht so wichtig - sobald die Elektronen in Metall eindringen, kann keine Transistorfunktionalität erreicht werden.

Die alternative Möglichkeit, den obigen Punkt zu verstehen, besteht darin, zu erkennen, dass die Kollektor-Basis-Diode in Sperrrichtung vorgespannt ist, aber immer noch einen hohen Strom leitet. Dieser Betriebsmodus kann nicht mit eigenständigen PN-Dioden erreicht werden, die unter Sperrvorspannung vernachlässigbare Ströme leiten. Der Grund für diese Einschränkung ist derselbe - überschüssige Elektronen von der P-Seite der in Durchlassrichtung vorgespannten Diode können nicht durch den Metalldraht in einer "BJT-ähnlichen Diodenkonfiguration" auf die P-Seite der in Sperrrichtung vorgespannten Diode gefegt werden. Stattdessen werden sie zur Stromversorgung geleitet, wodurch eine Vorspannung an den gemeinsamen Anschluss der Dioden geliefert wird.

Es gab eine Folgefrage, in der darum gebeten wurde, eine strengere Begründung für die beiden vorstehenden Absätze zu liefern. Die Antwort betrifft Metall-Halbleiter-Schnittstellen und ist hier zu finden .

Das Obige bedeutet, dass die Diskussion der Breite des Basisbereichs mit der Diskussion der Effektivität von BJT-Transistoren zusammenhängt und für die Diskussion von zwei Back-to-Back-PN-Dioden als Ersatz für einen BJT völlig irrelevant ist.

Zusammenfassung:

Zwei Back-to-Back-PN-Dioden können nicht als ein einzelner BJT fungieren, da die Funktionalität des Transistors nur den Basisbereich des Halbleiters erfordert. Sobald ein Metall in diesen Pfad eingeführt wird (was zwei Back-to-Back-Dioden darstellen), ist keine BJT-Funktionalität mehr möglich.

Nein. Zwei Back-to-Back-Dioden sind KEIN Transistor. Die besondere Eigenschaft, die ein PNP- oder NPN-Sandwich zu einem Transistor und nicht nur zu zwei Dioden macht, ist, dass die Basisschicht sehr dünn ist. In Bezug auf die Halbleiterphysik gibt es keine zwei separaten Verarmungsregionen in der Basis. Die Verarmungsgebiete der beiden Übergänge überlappen sich in der Basis, was für die speziellen Eigenschaften des Transistors notwendig ist.

Aus Wikipedia

Transistoren kann man sich als zwei Dioden (PN-Übergänge) vorstellen, die sich einen gemeinsamen Bereich teilen, durch den sich Minoritätsträger bewegen können. Ein PNP-BJT funktioniert wie zwei Dioden, die sich einen Kathodenbereich vom N-Typ teilen, und der NPN wie zwei Dioden, die sich einen Anodenbereich vom P-Typ teilen. Das Verbinden von zwei Dioden mit Drähten ergibt keinen Transistor, da Minoritätsträger nicht durch den Draht von einem PN-Übergang zum anderen gelangen können.

Grundsätzlich muss der Halbleiter direkt angeschlossen werden.

Es kann sich lohnen, über die entsprechende Frage für Vakuumröhren nachzudenken. Warum können zwei Back-to-Back-Diodenröhren nicht als Triode fungieren? Die Antwort lautet: Damit eine Triode richtig funktioniert, müssen die meisten von der Kathode emittierten Elektronen durch die Maschen des Gitters passieren, um die Anode zu erreichen. Wenn Sie zwei Diodenröhren miteinander verbinden und die Verbindung zwischen ihnen Gitter nennen würden, oder wenn Sie das Gitter einer Triode anstelle eines Gitters zu einem festen Stück Folie machen würden, würden alle Elektronen es bis zum Gitter schaffen und anhalten dort in das Versorgungsnetz abfließen, anstatt erneut emittiert zu werden, um zur Anode zu gelangen. Für den korrekten Betrieb einer Triode muss der Impuls der Elektronen die Möglichkeit haben, sie direkt durch das Gitter zu tragen, angetrieben von mehr als nur dem Potential zwischen Gitter und Anode.

Die physikalischen Effekte, die in einem Halbleitertransistor im Spiel sind, sind unterschiedlich, aber die Grundidee, dass Strom in der Lage sein muss, den Draht zu umgehen, der ihn sonst in der Mitte heraussaugen würde, bleibt gleich.

Dies ist eine sehr reduzierte Version der bereits akzeptierten Antwort.

Metall hat andere Eigenschaften als der Halbleiter, daher werden die beiden Ns nicht zu einem einzigen N vereint. Die beiden Dioden sind eine PN-Metall-NP-Komponente, die keine NPN-Komponente ist. (Umgekehrt für PNP.)

(Wenn Sie die Basis eines Transistors mit einem dünnen Blech schneiden, funktioniert er nicht mehr.)

Die Erklärung der Arbeit des Transistors in Analogie zum hydraulischen System spricht mich mehr an. Jeder kennt die Situation, wo man zuerst das Wasser in den Schlauch saugen muss. Und wenn das Wasser den höchsten Punkt passiert, beginnt es von selbst zu fließen. Bei einem Transistor muss analog nur der Widerstand des np-Anschlusses überwunden werden, damit der Strom fließen kann.

Ein BJT beruht auf dem Prinzip der Diffusion (von Minoritätsladungsträgern).

Es funktioniert nur, wenn die Dicke der Basis in der Größenordnung der Diffusionslänge liegt .

Dies kann nicht erreicht werden, indem zwei diskrete Dioden verbunden werden.

Nein, denn um einen Transistor herzustellen, ist nur eine dünne Schicht zwischen Emitter und Kollektor erforderlich, aber wenn Sie 2 Rücken-an-Rücken-Dioden verbinden, entsteht eine dicke Schicht, die für Elektronen schwer zu durchdringen ist

Grundsätzlich wird eine der Dioden aufgrund der Spannungsdifferenz in Basis-Emitter oder Kollektor (0,7 in jeder Konfiguration) abgeschaltet . Ein näherer Ansatz wird ein Zener und zwei Dioden sein , aber er funktioniert immer noch nicht als Transistor oder irgendetwas Nützliches. Es ist schrecklich zu erklären, aber die Antwort liegt darin, zu verstehen, wie man den Spannungsabfall über einer Diode eliminiert , etwas, das selten in Büchern zu finden ist, aber äußerst wichtig ist. Stellen Sie sich nun eine 0,7-V-Batterie parallel zu einer Diode vor, die an ein Signal angeschlossen ist. Dann leitet sie ab 0 und bricht bei 0 zusammen (nicht die typischen -0,7). Nun, es gibt noch mehr als das, aber ich versuche nur, Sie auf etwas hinzuweisen.