Transistor saturi BJT. : AKA - Cose che ti fanno andare "Hmmmm"

Li usiamo ogni giorno e coloro che conoscono comprendono appieno le caratteristiche funzionali dei transistor BJT. Esistono numerosi documenti e collegamenti che spiegano la matematica operativa. Ci sono anche tonnellate di bei video che spiegano le teorie attuali su come funzionano fisicamente. (La maggior parte di questi è data da persone che parlano "inglese di tele-marketing" per qualche ragione.)

Tuttavia, devo ammettere, anche dopo oltre 40 anni, che devo accettarlo al valore nominale, poiché le descrizioni di come la giunzione del collettore si adatta all'equazione è sempre un po 'ondulata.

Ad ogni modo, a parte questo, c'è un aspetto che proprio non capisco. Sembra sfidare le leggi della fisica, Kirchhoff's Laws et.al.

Sto parlando del tuo circuito emettitore comune saturo standard.

È noto e accettiamo che una volta satura, la tensione del collettore sarà inferiore alla tensione di base. Ovviamente lo usiamo a nostro vantaggio nei circuiti e abbiamo scelto i componenti per darci un Vce-Sat il più basso possibile per una particolare corrente di carico.

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Tutto bene e dandy, fino a quando non guardi la modalità per eccellenza di un tipico transistor NPN ...

In che modo il collettore può avere una tensione inferiore rispetto alla base di quel sandwich?

Anche se si aggiunge una tensione di tipo EMF posteriore per tenerne conto, la corrente del collettore andrebbe nella direzione sbagliata attraverso la giunzione del collettore di base.

In un transistor bipolare, l'emettitore ha un doping molto più elevato rispetto alla base. Quando si applica una polarizzazione diretta al diodo emettitore di base, la corrente fluirà e, a causa del maggiore drogaggio nell'emettitore, molti più elettroni fluiscono dall'emettitore nella base rispetto ai fori che scorrono dalla base all'emettitore.

La corrente in un semiconduttore può fluire attraverso due meccanismi principali: esiste una corrente di "deriva", in cui un campo elettrico accelera gli elettroni in una determinata direzione. Questo è il modo semplice di flusso corrente a cui siamo tutti abituati. Esiste anche una corrente di "diffusione", in cui gli elettroni si spostano da aree a maggiore concentrazione di elettroni in aree a bassa concentrazione, proprio come l'acqua che si inzuppa in una spugna. Tuttavia, quegli elettroni che diffondono non possono muoversi per sempre poiché a un certo punto colpiranno un buco e si ricombineranno. Ciò significa che la diffusione di elettroni (liberi) in un semiconduttore ha un'emivita e una cosiddetta lunghezza di diffusione, che è la distanza media che percorrono prima di ricombinarsi con un foro.

La diffusione è il meccanismo mediante il quale una giunzione a diodi crea la sua regione di esaurimento.

Ora, se il diodo emettitore di base è polarizzato in avanti, la regione di esaurimento del diodo emettitore di base si riduce e gli elettroni iniziano a diffondersi da questa giunzione nella base. Tuttavia, poiché il transistor è costruito in modo tale che la lunghezza di diffusione di quegli elettroni sia più lunga della larghezza della base, molti di questi elettroni sono effettivamente in grado di diffondersi attraverso la base senza ricombinarsi ed uscire dal collettore, efficacemente "tunneling" attraverso la base non interagendo con i fori lì. (La ricombinazione è un processo casuale e non si verifica immediatamente, motivo per cui la diffusione esiste in primo luogo.)

Quindi, alla fine, alcuni elettroni finiscono nel collettore con movimenti casuali. Ora che sono lì, gli elettroni possono tornare alla base solo quando superano la tensione di polarizzazione diretta del diodo collettore di base, facendoli "accumulare" nel collettore, diminuendo la tensione lì, fino a quando non riescono a superare il giunzione base-collettore e ritorno. (In realtà, questo processo è un equilibrio, ovviamente.)

Con le tensioni applicate alla base, all'emettitore e al collettore, si creano solo campi elettrici nel semiconduttore che causano la deriva degli elettroni verso la regione di esaurimento, modificando la concentrazione di elettroni nel cristallo, che si traduce quindi in una corrente di diffusione che fluisce attraverso il base. Mentre i singoli elettroni sono influenzati dai campi elettrici creati dalle tensioni ai terminali del transistor, essi stessi non hanno una tensione, ma solo livelli di energia. All'interno di una parte del cristallo che è generalmente alla stessa tensione, gli elettroni possono (e avranno) energia diversa. In effetti, nessun due elettroni può mai avere lo stesso livello di energia.

Questo spiega anche perché i transistor possono funzionare al contrario, ma con un guadagno di corrente molto inferiore: è più difficile per gli elettroni diffondersi nella regione di emettitori altamente drogati che nel collettore leggermente drogato poiché la concentrazione di elettroni è già piuttosto elevata lì. Ciò rende questo percorso meno favorevole per gli elettroni rispetto al transistor non invertito, quindi più elettroni fluiscono direttamente dalla base e il guadagno è inferiore.

In che modo il collettore può avere una tensione inferiore rispetto alla base di quel sandwich?

Non esiste una legge della fisica che impedisce al collettore di avere una tensione inferiore rispetto alla base: applica tra B ed E, applica tra C ed E, e tu ' Devo dire che il BJT è esattamente in quella condizione.$0.7\,\mathrm{V}$$0.4\,\mathrm{V}$

Pertanto, la tua vera domanda è probabilmente: date quelle tensioni applicate, come mai la legge della fisica consente alla corrente del collettore di fluire nel collettore?

Le leggi di Kirchhoff applicate al BJT implicano solo che e dove ho assunto le correnti dei terminali come positive quando si entrava nei terminali.I C + I B + I E = 0

Inoltre, poiché non vi è alcuna fonte di energia all'interno del BJT, richiediamo che la potenza che entra nel dispositivo sia positiva (considero un caso statico, trascurando gli effetti dinamici per evitare le sottigliezze della passività), cioè

Questi sono gli unici vincoli che la fisica impone alle tensioni e alle correnti dei terminali nel caso statico. Come puoi vedere, tutte le condizioni di cui sopra valgono per un BJT saturo.

La tua confusione probabilmente deriva dall'assumere implicitamente un dispositivo lineare , che non è un BJT.

Tieni presente che la base non ha la stessa tensione in tutta la sua area. C'è una resistenza "foglio" irriducibile associata alla base, la cui connessione esterna deve necessariamente essere ai margini della struttura in un certo senso. Poiché esiste una distribuzione di corrente all'interno di quel "foglio", esiste anche una distribuzione di tensione.

Quindi, in saturazione, la corrente che fluisce nel terminale di base passa attraverso entrambe le giunzioni di diodi polarizzate in avanti (BE e BC), vicino al terminale di base. La corrente che è andata al collettore fluisce quindi all'emettitore attraverso una parte diversa della base che è più lontana dal terminale di base.

In sostanza, la caduta di tensione attraverso la resistenza di base intrinseca è ciò che consente la distribuzione della tensione che vediamo ai terminali esterni.

I BJT sono dispositivi attuali. Quando si trovano nella regione attiva, molti elettroni dell'emettitore (emettitori pesantemente drogati e più negativi della base) entrano nella base (leggermente drogati) e alcuni cadono nei pochi fori di base, ma la maggior parte si diffonde attraverso il collettore, causando Ic . Quando è saturo, il collettore è anche più negativo della base, quindi contribuisce con alcuni elettroni alla base. Man mano che il collettore contribuisce con più elettroni alla base (Vbc è più positivo), ne consegue che la corrente dell'emettitore del collettore sarà inferiore. Man mano che Vbc si riduce (Vce (sat) è più alto), la corrente di saturazione può essere più alta. Quindi, una volta in saturazione, la tensione del collettore aumenta con la corrente del collettore.

È possibile eseguire un transistor con il collettore e l'emettitore invertiti. Dal momento che il collettore è leggermente drogato rispetto all'emettitore, il guadagno è scadente, ma Vce (sat) scenderà nell'intervallo mV singolo. Nell'era pre-FET, abbiamo usato questo approccio per mettere a terra gli ingressi analogici in campioni e prese, ecc.

Sono i diversi portatori e le diverse modalità di movimento. Parlando di NPN.

Quando si aumenta la tensione di base, i fori iniziano a muoversi attraverso la barriera del potenziale di giunzione BE e si ottengono molti più elettroni. Gli elettroni si muovono attraverso la base per diffusione, spostandosi da un'alta concentrazione a una bassa concentrazione non sono guidati dalla tensione.

Si finisce con un gruppo di elettroni liberi alla giunzione BC che formano una regione caricata negativamente e vengono spazzati da qualsiasi tensione positiva sul collettore.

POTENZIALI DI GIUNZIONE NON RETTIFICANTI. Questo è il trucco.

A tutti manca un fatto semplice e basilare. (Anche la maggior parte dei libri di testo per principianti manca questo. Anche alcuni professionisti dell'ingegneria sembrano all'oscuro.) Il fatto: le giunzioni hanno sempre una tensione tra loro, anche quando non sono alimentate, anche quando è metallo-silicio senza effetto diodo ... e anche quando la giunzione è ferro-rame, cromo-allume, ecc.

In altre parole, se vogliamo capire tutto su diodi e transistor, non possiamo ignorare la fisica della termocoppia e le GIUNZIONI NON RETTIFICANTI. Se lo facciamo, allora Vce diventa inspiegabile, un oscuro mistero dell'ingegneria.

[e c'è dell'altro]

Idealmente il Vbe corrisponde al Vcb ed entrambi conducono in avanti con Vce (sat) = 0 su Imax e Ic / Ib = 10.

Come ha sottolineato Dave T., la resistenza allo spargimento della base Vbe (nota anche come serie R o ESR efficace) non è uniforme, ma realizzando più pozzetti a base stretta in parallelo, le prestazioni migliorano.

Quando l'ESR della giunzione BE drogata più alta più piccola è più alta dell'ESR più grande della giunzione CB otteniamo un Vbe più alto di Vcb, quindi Vce (sat) aumenta. Il guadagno attuale è ora sceso a circa il 10% di max.

• Il processo epitassiale è generalmente planare che verticale.
• l'impianto di ioni viene utilizzato per l'emettitore e le giunzioni di base.
• $R_{CE}$
• molti più elettroni vengono iniettati nella base rispetto ai buchi nell'emettitore
• poiché la base è molto stretta, la maggior parte degli elettroni emettitori attraversa la base e raggiunge il collettore

Zetex ha inventato circa 100 brevetti di processo attorno a questa tecnologia epitassiale e ora come Diodes Inc ha molti prodotti, anche se più costosi hanno dimensioni di stampi simili con Rce negli anni 10 di milliohm, invece di lattine TO-3 obsolete con Rce nella gamma 1 Ohm. Ciò riduce significativamente la dissipazione del calore ad alte correnti.

ON Semi ha anche le proprie parti Vce (sat) basse.

Questo SOT-23 ha un volume <13 centesimi e ha Rce = 45 mOhm max. Vce max = 12V