Wie fließt in einem NPN-Transistor Strom vom Emitter über die Basis zum Kollektor?

Wie in der Antwort von Wandering Logic erläutert, werden Elektronen vom Emitter zur Basis injiziert, wenn dieser Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Jedes dieser Elektron erleidet eines von zwei Schicksalen: Entweder rekombiniert es mit einem Loch in der Basisregion (in einer Rekombinationszeit$\tau_r$, mehr oder weniger), die zum Basisstrom beitragen$I_b$, oder es wird durch das elektrische Feld am in Sperrrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Übergang (in einer Driftzeit) in den Kollektor gefegt$\tau_d$), die zum Kollektorstrom beitragen$I_c$.

Tatsächlich ist die Stromverstärkung eines Transistors gerecht$I_c/I_b = \beta = \tau_r/\tau_d$, da so viele Elektronen für jedes, das in der Basis rekombiniert, in den Kollektor gefegt werden. Der Trick bei der Herstellung eines guten Transistors besteht darin, dieses Verhältnis zu maximieren; daher die Dünnheit des Basisbereichs.

Grob gesagt sind zwei verschiedene Prozesse am Werk: Diffusion und Drift. Drift ist die durch ein Feld (entweder die angelegte Spannung oder das Feld in der Verarmungsregion) induzierte Bewegung der geladenen Teilchen. Die Diffusion ist eine Funktion der Breite der Verarmungsregion. Treiben ist es nicht. Die Drift ist eine Funktion der Anzahl von Minoritätsladungsträgern in der Nähe der Ränder des Verarmungsbereichs. Auch ohne angelegte Spannung liegt im Verarmungsgebiet ein Feld vor.

Hier ist ein Bild aus Abschnitt 5.2 eines sehr schönen Satzes von Notizen von Bart Van Zeghbroeck an der University of Colorado :

_{(Quelle: Bart at ecee.colorado.edu )}

Wenn Sie den Basis-Emitter-Übergang in Vorwärtsrichtung vorspannen, fließt ein großer Diffusionsstrom von der Basis zum Emitter. (Roter Pfeil markiert$I_{E,n}$und blauer Pfeil markiert$I_{E,p}$). Sie spannen den Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vor, wodurch der Diffusionsstrom von Basis zu Kollektor fast vollständig abgeschaltet wird, aber der Driftstrom von Kollektor zu Basis ist proportional zur Anzahl der Elektronen in der Nähe des Randes der Verarmungszone auf der Basisseite.

Der Emitter injiziert Elektronen durch Diffusion in die Basis. Wenn die Basis schmal genug ist, haben die Elektronen keine Zeit, sich mit den Löchern in der Basis zu rekombinieren. (Die Rekombination ist markiert$I_{r,B}$im Bild.) Es gibt also einen Elektronenüberschuss am Rand der Verarmungszone zwischen Basis und Kollektor. Der Driftstrom schwemmt diese Elektronen in den Kollektor. Sie erhalten also einen großen Driftstrom vom Kollektor zur Basis.

Der Basis-Emitter-Übergang ist "nur eine Diode", daher hängt der Diffusionsstrom durch den Basis-Emitter-Übergang durch die Diodengleichung exponentiell mit der Spannung zwischen Emitter und Basis zusammen:$I \approx I_s (e^{V_{BE}/V_T}-1)$, Wo$I_s$ist eine Konstante basierend auf den Materialien und der Dotierung und$V_T$ist die Thermospannung (etwa 26 mV bei Raumtemperatur). Die Menge dieser Elektronen, die den Basis-Kollektor-Verarmungsbereich erreichen, ist eine Funktion der Breite der Basis und der Rate, mit der Löcher und Elektronen in der Basis rekombinieren. Der Driftstrom ist (glaube ich) linear proportional zur Anzahl der Elektronen, die es schaffen, den Rand der Verarmungszone zu erreichen. Eine vernünftige erste Näherung ist also, dass der Strom vom Emitter zum Kollektor exponentiell proportional zur Spannung zwischen Emitter und Basis ist.

Praktische Bipolartransistoren sind eigentlich N+/P/N-Transistoren, so dass der Diffusionsstrom von Basis zu Emitter fast vollständig aus Elektronen von Emitter zu Basis und nicht aus Löchern von Basis zu Emitter besteht.

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