Funzionamento di base di un transistor di giunzione bipolare

Ho provato davvero a comprendere il principio operativo di base di un transistor. Ho fatto riferimento a molti libri e sono stato su forum ma non ho mai avuto una risposta convincente.

Ecco le cose che voglio capire:

Un transistor è simile a un diodo polarizzato inverso a meno che non venga applicata una tensione alla base. Poiché la giunzione Emitter-Base è polarizzata in avanti, ci sarà la conduzione - diciamo - di elettroni (npn). Cosa succede allora? È vero che questi elettroni dalla base infrangono la barriera della giunzione collettore-base e quindi la corrente combinata passa all'emettitore? (IB + IC = IE)

E perché stiamo diventando più attuali? Dov'è l'amplificazione? Non può essere come creare qualcosa dal nulla. So che qui mi manca un punto cruciale. Qualcuno può spiegarmi chiaramente in termini semplici?

È una settimana che sto cercando di capirlo. :(

Quando gli elettroni fluiscono attraverso una giunzione di diodi polarizzata in avanti, come la giunzione emettitore di base di un transistor, in realtà impiega un tempo diverso da zero per ricombinarsi con buchi sul lato P ed essere neutralizzati.

In un transistor NPN, la regione di base di tipo P è costruita in modo tale da essere così stretta che la maggior parte degli elettroni passa effettivamente attraverso di essa prima che si verifichi questa ricombinazione. Quando raggiungono la regione di svuotamento della giunzione collettore di base polarizzata al contrario, che presenta un forte campo elettrico attraverso di essa, vengono rapidamente spazzati via completamente dalla regione di base, creando la corrente del collettore.

La corrente totale attraverso la giunzione dell'emettitore di base è controllata dalla tensione dell'emettitore di base, che è indipendente dalla tensione del collettore. Questo è descritto dalla famosa equazione di Ebers-Moll . Se il collettore è a circuito aperto, tutta questa corrente esce dalla connessione di base. Ma finché c'è almeno un piccolo bias positivo sulla giunzione base-collettore, la maggior parte della corrente viene deviata al collettore e solo una piccola frazione rimane fuori dalla base.

In un transistor ad alto guadagno, meno dell'1% degli elettroni si ricombina in realtà nella regione di base, dove rimangono come corrente di emettitore di base, il che significa che la corrente del collettore può essere 100 × o più la corrente di base. Questo processo è ottimizzato attraverso un attento controllo sia della geometria delle tre regioni sia dei livelli di drogaggio specifici utilizzati in ciascuna di esse.

Fintanto che il transistor è polarizzato in questa modalità di funzionamento, un piccolo cambiamento nella tensione dell'emettitore di base (e una variazione corrispondente della corrente dell'emettitore di base) provoca un cambiamento molto più grande nella corrente dell'emettitore del collettore. A seconda dell'impedenza esterna collegata al collettore, ciò può anche causare un grande cambiamento nella tensione del collettore. L'intero circuito mostra un guadagno di potenza perché la potenza di uscita (ΔV _C × ΔI _C ) è molto maggiore della potenza di ingresso (ΔV _B × ΔI _B ). A seconda della configurazione del circuito specifico, questo guadagno di potenza può essere realizzato come guadagno di tensione, guadagno di corrente o una combinazione di entrambi.

Sostanzialmente la stessa cosa accade in un transistor PNP, ma ora devi pensare ai buchi (l'assenza di un elettrone) come il vettore di una carica positiva che si sposta attraverso la base di tipo N fino al collettore.

Leggi e rileggi l'eccellente risposta di Dave.

Quindi invertire mentalmente cosa sta succedendo ...

Si dispone di una giunzione emettitore di base orientata in avanti e i circuiti esterni collegati alla base richiedono una corrente Ib, che viene fornita da elettroni provenienti dall'emettitore.

Ma quando un elettrone entra nella regione di base, incontra un forte campo elettrico che lo spinge verso il collettore (positivo). La maggior parte (una proporzione ampia e abbastanza ben definita) di questi elettroni viene persa (dalla corrente di base) ed emerge come corrente di collettore, per i motivi spiegati così bene nella risposta di Dave. Quindi, piuttosto che un amplificatore efficiente, potresti anche vedere il transistor come un fornitore irrimediabilmente inefficiente di corrente di base!

Da questo punto di vista, il circuito di base richiede Ib e l'emettitore lo fornisce. Ma come sottoprodotto, una corrente molto più grande (Ic = 100Ib) viene "persa" per il collettore. Che è ovviamente quello che vogliamo davvero.

EDIT re: comment: Alla fine (la maggior parte, diciamo il 99%), gli elettroni dell'emettitore entrano nella regione del collettore.

In definitiva, la corrente del collettore deve essere (leggermente) più piccola della corrente dell'emettitore di alimentazione.

Diritto a entrambi.

Qual è lo scopo?

1) Una corrente di base molto piccola controlla una corrente di collettore elevata e la corrente dell'emettitore è la somma di questi due.

2) Il rapporto Ic / Ib (hFE o guadagno di corrente) è approssimativamente indipendente dalla tensione del collettore Vce (fino a quando Vce è basso, diciamo <1V). Ciò significa che per una scelta adeguata di impedenza nel circuito del collettore, una piccola variazione in Ib può comportare una grande variazione in Ic e una grande variazione in Vce; questo è da dove proviene il guadagno di tensione.

Quindi il solito amplificatore "emettitore comune" ha il carico nel circuito del collettore e ha sia un guadagno di corrente sia un guadagno di tensione elevati.

Questo è il modo in cui lo vedo, spero che aggiunga qualcosa di utile alla discussione:

SEMICONDUTTORI, DIODI E TRANSISTORI

ELETTRONICI E FORI

Pensiamo a una fila di penny disposti in fila, toccanti, su un tavolo. Sposta l'estremità della mano destra di un centesimo di larghezza verso destra, lasciando uno spazio. Quindi continua a spostare il penny a sinistra dello spazio nello spazio. Mentre procedi, tutti i penny si sono spostati a destra e il divario si è spostato sul tavolo a sinistra. Ora immagina i penny come elettroni e puoi vedere come gli elettroni che si muovono in una direzione attraverso un semiconduttore fanno sì che i fori si muovano nella direzione opposta.

Per allungare l'analogia, potremmo usare piccole pile di penny, quindi molto deve muoversi proprio prima che un buco si muova a sinistra. Oppure potremmo avere pochi penny e molto spazio in modo che i buchi si spostino facilmente mentre i penny sparsi vengono spostati attraverso le ampie lacune. Questi due casi modellano le due forme di silicio drogato, molti elettroni aggiunti e abbiamo un tipo N, molti buchi (gli elettroni rimossi) e un tipo P. I tipi si ottengono miscelando (doping) il silicio con piccole quantità di altri metalli.

Con gli elettroni che devono combattere attraverso gli atomi di un semiconduttore, la sua resistività è relativamente alta. I primi semiconduttori utilizzavano il germanio, ma, ad eccezione di casi speciali, al giorno d'oggi il silicio è la scelta universale.

Il filo di rame può essere visualizzato con grandi pile di elettroni al penny, tutti vicini tra loro, quindi una corrente è il movimento dei pochi penny in cima alle pile, nessun buco viene prodotto affatto. Con così tanti disponibili per la corrente, la resistività, come sappiamo, è bassa.

DIODI

Il diodo a semiconduttore più comune (ci sono altri tipi specializzati) ha una giunzione tra tipo N e tipo P. Se al diodo viene applicata una tensione, positiva all'estremità di tipo N e negativa all'altra, gli elettroni vengono tutti tirati verso l'estremità positiva, lasciando dei fori all'estremità negativa. Con quasi nessun elettrone nel mezzo, quasi nessuna corrente può fluire. Il diodo è "biassoso inverso"

Quando la tensione viene applicata nell'altro modo, negativa all'estremità di tipo N e positiva al tipo P, gli elettroni vengono attratti verso il centro e possono incrociarsi per cancellare i buchi nel tipo P e defluire nel filo di collegamento. Dall'altro, la tensione negativa, l'estremità, gli elettroni vengono respinti nel mezzo del diodo, per essere sostituiti da quelli che si inondano dal filo, quindi nel complesso una corrente può fluire facilmente: il diodo viene biassato in avanti.

Le connessioni a un diodo sono chiamate "Anodo" che è l'estremità positiva quando il diodo è biassato in avanti, e il "Catodo" che è l'estremità negativa. Ricordo questi per analogia con gli stessi termini per le valvole, che hanno bisogno di un'alta tensione positiva (HT per "Alta tensione" - tieni le dita lontane) sull'anodo affinché la corrente scorra. Un buon mnemonico per la polarità di un diodo biassed in avanti potrebbe essere PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".

Un diodo varactor sfrutta il fatto che due aree di carica separate, positiva e negativa, formano un condensatore grezzo. Quindi, diodi appositamente progettati sono fatti per sfruttare questo, quando invertito biassato. La tensione applicata separa le cariche, formando uno "strato di esaurimento" tra i contatti. L'aumento della tensione inversa applicata rende questo strato più spesso, riducendo così la capacità e viceversa. I diodi varactor sono comunemente usati nei circuiti sintonizzati per variare la frequenza, sostituendo i condensatori a palette che venivano usati ai tempi delle valvole.

TRANSISTORI BIPOLARI

Un transistor bipolare è uno il cui funzionamento dipende sia da elettroni che da lacune. Comprende due diodi back to back che condividono uno strato centrale comune. Uno dei terminali esterni è il Collettore C e l'altro è l'Emettitore E. La connessione centrale è la Base B ed è parte dei diodi CB e BE. Quindi abbiamo un sandwich a tre strati. Nell'uso normale il diodo tra C e B è biassiale inverso, quindi, senza la presenza del diodo BE e il suo effetto, nessuna corrente scorrerebbe, perché tutti gli elettroni vengono tirati fino a un'estremità della sezione CB e i fori per l'altra estremità, come in un diodo, dalla tensione applicata.

Il diodo BE è biassoso in avanti, quindi una corrente può fluire e il circuito esterno è impostato per limitare questo a un valore abbastanza piccolo, ma ci sono ancora molti buchi ed elettroni che fluiscono attraverso la Base e l'Emettitore.

Ora la parte intelligente. La connessione comune dei diodi CB e BE alla base è resa molto sottile, quindi il flusso di elettroni e buchi nella parte BE sostituisce quelli che la tensione inversa del collettore ha rimosso e una corrente può ora fluire attraverso questo diodo CB in la direzione inversa, e poi attraverso la giunzione BE biassed in avanti verso l'Emettitore e fuori nel circuito esterno.

Penso che sia ovvio che non è possibile realizzare un transistor saldando due diodi schiena contro schiena, l'azione richiede quella condivisione intima dello strato sottile all'interno del silicio.

La corrente del collettore dipende dal fatto che scorre una corrente di base e il transistor è progettato in modo tale che una piccola corrente nel diodo BE apre la strada a una corrente molto più grande nella giunzione CB. Quindi abbiamo corrente amplificazione. Utilizzando cadute di tensione su resistori esterni, questo può essere convertito in amplificazione di tensione.

Questi transistor sono chiamati "bipolari" perché hanno effettivamente due giunzioni.

Ho accuratamente evitato di menzionare il tipo di materiale nei diodi CB e BE, le idee sono le stesse per entrambi e possiamo avere NPN o PNP come possibili strati. La freccia, sull'emettitore, nel simbolo, che mostra la direzione della corrente convenzionale del collettore (l'opposto del flusso di elettroni), punta nella direzione del lato negativo della tensione CE applicata, quindi la corrente è "fuori da P o in N all'emettitore ".

TRANSISTORI O FET DI EFFETTO DI CAMPO

Esistono molti tipi diversi di FET, e questo è uno sguardo molto semplicistico al loro principio di base.

Questi sono transistor "unipolari", sebbene il termine non sia spesso usato, poiché il loro funzionamento dipende solo da elettroni e campi elettrici, non da buchi.

Qui abbiamo un singolo blocco di silicio drogato, il "canale", con grumi di tipo opposto sui lati, o come un anello che circonda. Quindi abbiamo solo una giunzione a diodi, che si chiama Gate G, tra i grumi o l'anello e il canale. Il canale funge da resistenza, con corrente che scorre da un'estremità, la sorgente S, all'altra il Drain D. La giunzione tra gate e canale è polarizzata al contrario, quindi non scorre corrente, ma esiste un campo elettrico che tira cariche, elettroni o buchi, ai lati del canale, lasciando meno disponibile per la corrente SD. Quindi abbiamo la corrente SD controllata dalla tensione sul gate.

Nota che questo è un dispositivo controllato in tensione, praticamente nessuna corrente fluisce dentro o fuori dal Gate. Pensa alla legge di Ohm: Resistenza = Volt / Amp, e vediamo che una corrente molto bassa significa una Resistenza molto alta, quindi si dice che il FET abbia un'impedenza di ingresso molto alta - il suo principale vantaggio rispetto a Bi-Polar, dove al contrario, ci vuole poca tensione per inviare la corrente attraverso la base, dandole una bassa impedenza di ingresso