Perché Vbe è una costante 0,7 per un transistor nella regione attiva?

Prenderò un esempio di un semplice amplificatore per emettitore comune . Dimentica i pregiudizi e le cose per ora, ma concentrati sul punto cruciale di questo circuito. Per come lo capisco, viene variata una tensione tra il nodo di base e il nodo di emettitore che viene infine amplificato dal transistor, causando la visualizzazione invertita (versione amplificata) del segnale originale sul nodo del collettore.

In questo momento, sto lavorando a un libro; Sedra / Smith, Microelettronica.

Durante tutto il capitolo su cui sto lavorando, si dice che nella regione attiva, si presume che Vbe sia 0,7V . Questo non ha senso per me, come può Vbe rimanere costante quando quella stessa è la variabile di ingresso per uno stadio amplificatore? Ciò avrebbe potuto avere senso per me se stavo guardando uno stadio CE con un resistore di emettitore (degenerazione dell'emettitore), in cui la tensione rimanente poteva essere lasciata cadere attraverso il resistore. Ma non è così, quindi illuminami!

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Inversione dell'equazione corrente del collettore:

rendimenti:

Ad esempio, lascia

Con questi valori, scoprilo

Ora raddoppia la corrente del collezionista e trovala

L'aumento della corrente del collettore del 100% ha solo aumentato la tensione dell'emettitore di base 2,45%

Così, mentre è non vero che la tensione base-emettitore è costante, non è una cattiva approssimazione considerarlo costante in un intervallo relativamente ampio di corrente di collettore.

Vbe in un transistor al silicio, si comporta come un diodo al silicio. La caduta di tensione diretta, dopo il passaggio di una certa quantità di corrente, aumenta rapidamente. L'aumento della corrente fa una differenza Vf trascurabile a quel punto.

Si noti che il Vf è diverso per i diodi al germanio e per i transistor, naturalmente.

Il modello Ebers-Moll per la corrente dell'emettitore in un transistor bipolare è:

$I_e \approx I_{es} e^{\frac{V_{be}}{V_t}}$

Dove è la corrente di saturazione dell'emettitore, è la tensione termica e è la base della tensione dell'emettitore. Per un valore di (nell'intervallo tipico per un dispositivo al silicio con segnale piccolo), prendere in considerazione il seguente diagramma Wolfram Alpha dell'equazione precedente:V t ≈ 26 m V V b e I e s = 10 - $I_e$$V_t\ \approx 26mV$$V_{be}$$I_{es} = 10^{-12}$

Trama di Ebers-Moll

L'asse Y è corrente ed è su una scala logaritmica. Noterai che per i valori di nell'intervallo da 0,55 a 0,7 volt, la corrente attraverso il transistor ha un intervallo estremamente ampio: dai microamper ai bassi ai amplificatori ai massimi. Ciò è dovuto al comportamento esponenziale dell'equazione di governo.$V_{be}$

Ai fini dell'analisi, supponendo che il di un piccolo transistor al silicio di segnale per quando è in questo intervallo per quando nella regione attiva sia un presupposto ragionevole, poiché se il valore di fosse significativamente inferiore una piccola corrente fluirebbe attraverso il transistor e, se fosse molto più grande, il transistor dovrebbe passare ampere di corrente, che non è fisicamente possibile per un tale dispositivo. V b $V_{be}$$V_{be}$

Ancora una volta notare che questo è solo un presupposto per facilitare l'analisi; il di uno specifico dispositivo al silicio a segnale piccolo in un circuito specifico dovrebbe essere in questo intervallo se si trova nella regione attiva, ma il valore effettivo dipenderà dalle specifiche del circuito, dai parametri del dispositivo, dalla temperatura e da altri fattori.$V_{be}$

Il circuito che presenti non è un buon esempio di una situazione per applicare questa semplificazione, poiché come dici tu, del circuito è l'unico parametro definibile dall'utente. Sei libero di selezionare qualsiasi tensione di ingresso desiderata in questo circuito, ma poiché l'emettitore è collegato direttamente a terra, qualunque tensione tu applichi sarà il tuo . Ci sarà quindi solo una gamma ristretta di tensioni di ingresso che consentirà al circuito presentato di trovarsi nella regione attiva; un po 'troppo basso e il transistor verrà interrotto, un po' troppo alto e una corrente enorme scorrerà attraverso la giunzione emettitore di base, causando un abbassamento della tensione del collettore a causa della resistenza di carico, mettendo il transistor in saturazione. V b $V_{be}$$V_{be}$

Il livello di Fermi è l'energia media degli elettroni (o buchi) mobili nel materiale semiconduttore. I livelli di Fermi sono espressi in elettroni volt (eV) e possono essere visti come rappresentativi della tensione vista dagli elettroni.

Il silicio intrinseco (e germanio) ha il livello di Fermi a metà strada tra il bordo superiore della banda di valenza e il bordo inferiore della banda di conduzione.

Quando si droga il silicio sul tipo P, si aggiungono molti fori. Ora hai molti più stati di disponibilità disponibili verso il basso vicino alla cima della banda di valenza, e questo spinge il livello di Fermi vicino al bordo della banda di valenza. Allo stesso modo, quando si droga il tipo N, si aggiungono molti elettroni, il che crea molti più stati di portatore disponibili vicino alla banda di conduzione e spinge il livello di Fermi vicino al bordo della banda di conduzione.

Per i livelli di doping che si trovano tipicamente in una giunzione emettitore di base, la differenza nei livelli di Fermi tra i lati P e N è di circa 0,7 elettronvolt (eV). Ciò significa che un elettrone che viaggia da N a P scarica 0,7 eV di energia (sotto forma di un fotone: è qui che i diodi emettitori di luce ottengono la loro luce: i materiali e il doping sono scelti in modo tale che la differenza nei livelli di Fermi attraverso la giunzione dà origine a fotoni alla lunghezza d'onda desiderata, come determinato dall'equazione di Planck). Allo stesso modo, un elettrone che si sposta da P a N deve captare 0,7 eV da qualche parte.

In breve, Vbe è essenzialmente solo la differenza nei livelli di Fermi sui due lati della giunzione.

Questo è il materiale di Semiconductors 101, in quanto devi capirlo prima di andare oltre. Il fatto che sia 101 NON significa che sia semplice o facile: ci vogliono due semestri di calcolo, due semestri di chimica, due semestri di fisica e un semestre di equazioni differenziali per stabilire le basi preliminari per la teoria dei semiconduttori classe che spiega tutto quanto sopra in dettaglio cruento.

$V_{BE} = 0.7V$

$V_{BE}$

Buona domanda. Il Vbe spesso citato di 0,7 V è solo un'approssimazione. Se si misura il Vbe di un transistor che si sta amplificando attivamente, verrà mostrato un Vbe di 0,7 V o circa su un multimetro, ma se si potesse ingrandire tale 0,7, come è possibile con un oscilloscopio, si vedrebbero piccole variazioni attorno ad esso , quindi in qualsiasi istante nel tempo potrebbe essere 0,6989 V o 0,70021 V poiché il segnale di ingresso che si trova su quel bias - quello che si desidera amplificare - oscilla attorno a quel punto di bias.

$v_{BE}$$v_{BE}$$v_{ce}$

$v_{BE}$$V_{BE}$$v_{BE}=V_{BE} + v_{be}$$V_{BE}$$0.7V$$v_{be}$

La tua domanda è eccellente

I transistor, solo in teoria, sono completamente chiusi per qualsiasi Ube <0,7 V e sono completamente aperti per qualsiasi Ube> = 0,7 V. In alcuni transistor a bassa potenza, questo Ube idealizzato può essere 0,6 V o 0,65 V.

In pratica, Ube può variare da 0 V a 3 V anche di più per i transistor ad alta potenza. In pratica, i transistor si aprono leggermente per qualsiasi Ube> 0 e continuano ad aumentare la loro apertura con l'aumento di Ube.

Tuttavia, come detto, la dipendenza di Ice o, meglio detto, Rce da Ube è pesantemente non lineare dopo un dato punto e, quindi, l'aumento di Ice non porta a un enorme aumento di Ube, eppure esiste.

Al di sotto di 0,7 V, l'aumento di ghiaccio può essere in qualche modo lineare e questo dipende dal transistor.

Il massimo Ube sul ghiaccio massimo è facilmente da 2,5 V a 3 V per transistor di potenza enormi e ghiaccio maggiore di 25A.

Una cosa è certa: nelle applicazioni analogiche, la dipendenza di Ice da Ube deve essere sicuramente considerata, principalmente per transistor ad alta potenza o alta corrente.

Dai un'occhiata a 2N5302 che ha Ube = 3V su Ice = 30A e Uce = 4V.

Alla fine di questo post, saprai come calcolare il guadagno di tensione di un bipolare.

Esaminiamo una tabella di Vbe contro Collector Current, per un immaginario bipolare:

VBE Ic

0.4 1uA

0.458 10uA Avviso 58mV in più Vbe fornisce esattamente 10 volte più corrente.

0,516 100uA

0,574 1mA

0.632 10mA

0.690 100mA [il transistor è CALDO, quindi la corrente può fuggire e fondere il transistor (un rischio noto con bipolari distorti con tensione di base costante)]

0.748 Il transistor 1AMP è CALDO

0.806 Il transistor da 10 Ampere è CALDO

Possiamo effettivamente operare un transistor bipolare con corrente di collettore da 1uA a 10Amps? Sì, se è un transistor di potenza. E a correnti più elevate, questa tabella raffinata - che mostra 58 milliVolt in più di Vbe produce 10 volte più corrente - perde precisione perché il silicio di massa ha una resistenza lineare e i tracciatori di curve lo dimostreranno.

Che ne dici di cambiamenti inferiori a 58mV? Vbe Ic 0,2 volt 1nanoAmp (circa 3 fattori di 58mV al di sotto di 1uA a 0,4 v) 0,226 2,718 nanoAmp (lo 0,026 v della fisica fornisce E ^ 1 in più I) 0,218 2.000 nanoAmp 0,236 4,000 nanoAmp 0,254 8,000 nanoAmp (troverai N * 18mV in riferimenti di tensione)

OK, abbastanza tavoli. Consente di visualizzare il transistor bipolare simile a tubi a vuoto o MOSFET ............... come transconduttori, dove i cambiamenti nella tensione di ingresso causano cambiamenti nella corrente di uscita.

I bipolari sono divertenti da usare, perché conosciamo ESATTAMENTE la transconduttanza per qualsiasi bipolare, se conosciamo la corrente del collettore CC (ovvero, senza segnale CA in ingresso).

Per abbreviazione, la chiamiamo 'gM' o 'gm', perché i databook del tubo a vuoto usavano la variabile "mutua transconduttanza" per spiegare come la tensione di rete controllava la corrente della piastra. Possiamo onorare Lee deForest usando gm per questo.

Il gm di un bipolare, a 25 gradi centigradi, e conoscendo kt / q è 0,026 volt, è -------> Ic / 0,026 e se la corrente del collettore è 0,026 amp (26 milliAmps), il gm è 1 amp per volt.

Pertanto 1 millivolt di PP sulla base provoca una corrente CA del collettore di PP da 1 ml. Ignorando alcune distorsioni, che puoi prevedere usando la serie Taylor. O gli scritti di Barry Gilbert su IP2 e IP3 per i bipolari.

Supponiamo di avere una resistenza da 1Kohm dal collettore a +30 volt, che trasporta 26mA. Il Vce è 30 - 1K * 26ma = 30 - 26 = 4 volt, quindi il bipolare è nella regione "lineare". Qual è il nostro guadagno?

Il guadagno è gm * Rcollector o 1 amp / volt * 1,000 ohm o Av = 1,000x.

La tua domanda è:

come può Vbe rimanere costante quando quella stessa è la variabile di input per uno stadio amplificatore?

La risposta semplice è che, beh, non è:

1. $V_{BE}$
2. $V_{BE}$$I_b$

Ma ora proverò a rispondere a quello che credo sia il tuo reale dubbio. Penso che stai mescolando il concetto dall'analisi DC e dall'analisi del segnale piccolo del circuito.

Quella che chiamate "variabile di input" ha in effetti un componente AC sopra un componente DC:

$V_{BE}$

Penso che ora puoi vedere da dove viene la tua confusione. Non preoccuparti, è una confusione piuttosto comune. Ho sempre pensato che la maggior parte degli insegnanti e dei libri non facciano un buon lavoro nello spiegare come pensare in termini di analisi della DC rispetto all'analisi dei piccoli segnali e quali ipotesi dovrebbero essere applicate in ciascuno di essi.

Riassumendo tutto:

1. $V_{BE}$$V_{BE}$$I_b$

2. $R_c$$V_{cc}$$v_{BE}$$V_{BE}$

Nota: puoi trovare la fonte per il diagramma qui sopra .