2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему На страницу 1, 2, 3, 4, 5  След.
 
 Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 18:01 


01/02/18
33
Здравствуйте. Хочу разобраться до конца, как же все-таки работают биполярные транзисторы. В общих чертах понятно, но есть отдельные моменты, которые хотелось бы прояснить. А именно:

Возьмем, например, биполярный транзистор структуры n-p-n, подадим на переход база-эмиттер прямое смещение, а на переход база-коллектор обратное, т.е. введем транзистор в нормальный активный режим работы. Понятно, что в таком случае электроны из сильно легированного эмиттера пойдут в базу. База обладает очень малой толщиной, не помню как в точности-сопоставима с размерами электрона, если не ошибаюсь, плюс в ней содержится сравнительно небольшое количество дырок, по отношению к количеству электронов, "летящих" из эмиттера, поэтому лишь небольшое число электронов и дырок рекомбинирует, а остальные попадают в коллектор.

И вот тут у меня возникает вопрос-они туда попадают благодаря тому, что толщина базы очень мала? Т.е. грубо говоря, электрон, влетая в базу, двигаясь благодаря действию электрического поля, весь в эту базу не помещается, несмотря на свой крошечный размер, и автоматически оказывается в коллекторе ? Или его как бы "втягивает" более сильное(по сравнению с полем, действующим в базе) электрическое поле коллектора, которое, благодаря своей направленности, "заставляет электроны лететь к плюсу" ? Вот эти моменты не совсем ясны мне. Если кто знает-пролейте свет на них, пожалуйста, только не текстами из учебника, а своими словами, чтобы понятно было.

Еще вопрос-для работы биполярного транзистора всегда требуется два ОТДЕЛЬНЫХ источника питания? Нельзя использовать, скажем, один источник и, подав, например, с него напряжение на эмиттер-коллектор, от него же запитать, например, через потенциометр базу? Тут тоже запутался в рассуждениях-с одной стороны, ток коллектора управляется током базы, и для нормальной работы транзистора нам требуется, чтобы напряжение, поданное на базу, было меньше, чем между эмиттером и коллектором, поскольку нужно, чтобы электрическое поле коллектора было более сильным, чем в базе и втягивало электроны, с другой стороны-база и так сама по себе очень мала, сравнима с размерами элементарных частиц, а силу электрического поля можем померить, как напряжение, разделенное на длину, к которой оно приложено, то получается что электрическое поле в базе и так не будет сопоставимо с коллекторным. Ну, подам я, например, одинаковую напругу на коллектор-эмиттер и эмиттер-база, что тогда? Где ошибка?

Далее, насколько я понимаю, коллектор обычно делают больше, чем эмиттер. Это связано с тем, чтобы он мог вмещать в себя как свои собственные электроны, которые он приобретает благодаря легированию, так и электроны, поступающие из эмиттера? Плюс, вероятно, из-за намного более высокого тока, чтобы мог выдержать нагрев? Т.е. если, скажем, сделать коллектор равный по размеру эмиттеру-какие последствия будут?

Ну и хотелось бы понять, какие все-таки отличия будут у выше сказанного для транзисторов структуры p-n-p. Хотя в различных руководствах предпочитают коротко сказать, мол, "все тоже самое, только наоборот", но вызывает это определенные сомнения. Объясню, какая причина-дело в том, что если электрон, скажем так, движется сам, то движение дырок возможно лишь потому, что им "вакантное место" освобождает электрон. Поэтому, если не ошибаюсь, транзисторы типа p-n-p обладают меньшим быстродействием, по сравнению с n-p-n. Если я не прав, поправьте, пожалуйста.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 18:46 
Заслуженный участник


21/08/10
2401
Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Т.е. грубо говоря, электрон, влетая в базу, двигаясь благодаря действию электрического поля, весь в эту базу не помещается, несмотря на свой крошечный размер, и автоматически оказывается в коллекторе ? Или его как бы "втягивает" более сильное(по сравнению с полем, действующим в базе) электрическое поле коллектора, которое, благодаря своей направленности, "заставляет электроны лететь к плюсу" ?



Первое неверно. Второе --- правильно.

-- Чт фев 01, 2018 22:48:12 --

Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Нельзя использовать, скажем, один источник и, подав, например, с него напряжение на эмиттер-коллектор, от него же запитать, например, через потенциометр базу?


Именно так и делают, от одного источника. Или даже проще: через большой резистор подают на базу коллекторное напряжение (на этом резисторе почти все напряжение "сядет", останется немножко, что и нужно подать на базу).

-- Чт фев 01, 2018 22:49:18 --

Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Это связано с тем, чтобы он мог вмещать в себя как свои собственные электроны, которые он приобретает благодаря легированию, так и электроны, поступающие из эмиттера? Плюс, вероятно, из-за намного более высокого тока, чтобы мог выдержать нагрев?



Второе. Только ток там почти такой же, как в эмиттере. Но напряжение больше --- мощность больше. Можно по другому: в коллектор влетают ускоренные коллекторным напряжением электроны. Их энергию рассеивать надо, в тепло превращать. В эмиттере тепловой режим легче.

-- Чт фев 01, 2018 22:50:59 --

Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Т.е. если, скажем, сделать коллектор равный по размеру эмиттеру-какие последствия будут?



Да никаких по большому счету. Кстати, можно взять обычный транзистор и включить наоборот: поменять коллектор с эмиттером местами. Будет работать, но похуже параметры будут (и сжечь в таком режиме проще).

-- Чт фев 01, 2018 22:51:55 --

Manolo в сообщении #1289186 писал(а):
Поэтому, если не ошибаюсь, транзисторы типа p-n-p обладают меньшим быстродействием, по сравнению с n-p-n.



В общем да. Но не так уж сильно.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 19:16 


01/02/18
33
Alex-Yu Спасибо вам за ответы.

А что касается напряжения-является ли большее напряжение между коллектором и эмиттером(по сравнению с эмиттер-база) условием нормальной работы транзистора? Или это необязательно?

По идее ведь, как я выше изложил, нам надо чтобы электрическое поле коллектора было сильнее, чем в базе и, благодаря этому "вытягивало" оттуда электроны. Но, поле в базе будет слабым даже если подать туда большее напряжение, чем между коллектором и эмиттером(до определенного предела, разумеется) по той причине, что мала длина самой базы, а силу поля считаем как отношение приложенного напряжения к длине. Просто, как мне вспоминается, где-то озвучивалось то условие по напряжению, о котором я сказал выше. Получается, либо я ошибаюсь, либо чего-то не учитываю.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 20:14 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5003
ФТИ им. Иоффе СПб
Позволю себе чуть уточнить вышеописанное. Эмиттер транзистора - очень сильно легированная область. В ней очень высокая концентрация электронов. Как только эмиттерный переход окажется открытым, электроны (для npn структуры) пойдут в базу даже не за счет электрического поля, а за счет диффузии. Ток в базе почти чисто диффузионный, и маленькая электрическая добавка - это тот самый ток базы. Чем он меньше (относительно) тем выше усиление транзистора. Если электронам удастся продиффундировать до коллекторного перехода, то дальше им открыта прямая дорога, поскольку этот переход они проходят в прямом направлении в отличии от дырок. Здесь, однако, есть другая опасность. Электроны в поле перехода разгоняются, и если их скорость превысит некую критическую, то начнется ударная ионизация и транзистор сгорит к чертовой матери. Поэтому коллекторный переход надо "растянуть" в пространстве что бы понизить напряженность электрического поля в нем. Для этого коллектор легируют гораздо слабее эмиттера. При этом уменьшается проводимость материала и растут тепловые потери. Что бы этого избежать, увеличивают площадь (размер) коллектора что бы компенсировать уменьшение проводимости.

Таким образом, длина базы должна быть меньше длины диффузии носителей из эмиттера, а коллектор делают большим что бы увеличить рабочее напряжение. Хорошо спроектированный транзистор ни хрена не будет работать, если перепутать коллектор и эмиттер, хотя некоторые дешевые попытаются. Дырки отличаются от электронов массой и подвижностью (коэффициентом диффузии). С этим связано отличие свойств npn и pnp транзисторов.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 21:02 


01/02/18
33
Господа, а поясните, если нетрудно, по вопросу о напряжениях, озвученному выше и еще вот чего не могу понять:

Alex-Yu, По поводу тока-спасибо, что поправили, не те токи я сравнил, в коллекторе при заданных условиях должен течь ток, такой же, как в эмиттере, минус ток, который образуется базе за счет дырок(транзистор n-p-n). А почему мощность, выделяемая в коллекторе, выше? Откуда мы можем делать вывод, что напряжение база-коллектор будет выше, чем база-эмиттер? Это получается за счет размеров коллектора и большей концентрации там электронов? Если я понимаю правильно, специально никто на переход база-коллектор напряжение не подает, ни закрывающее, ни открывающее- если мы не хотим ввести транзистор в режим насыщения, когда прямое смещение и на переходе эмиттер-база и на переходе база-коллектор. Т.е. если мы имеем транзистор n-p-n, один источник питания, от него запитали переход коллектор-эмиттер("плюс" на коллектор, "минус" на эмиттер) и эмиттер-база(подав "плюс" на базу) через резистор, то для перехода база-коллектор мы получаем "плюс" на базе и "плюс" на коллекторе и нельзя в этом случае говорить об обратном смещении перехода база коллектор. Или к базе подают и "плюс" и "минус"? Тогда понятно, но как-то смущает что ли. Вроде это никак одно на другое влиять не должно, т.к. о разных отрезках речь. Просьба пояснить этот момент про подключение. Отсюда отчасти и был мой вопрос о необходимости двух источников питания.

amon, вы говорите про то, что базу электроны пойдут за счет диффузии. Но ведь если нет некой направляющей силы(поля), то число таких электронов будет мало? Или не так? Как понимаю я, если мы подаем некое минимальное напряжение, достаточное для того, чтобы просто открыть переход, то, скажем, под действием комнатной температуры, какие-то электроны, может, и залетят в базу, но, их массовую миграцию в заданном направлении нам обеспечит именно поле, иначе они, грубо говоря, будут болтаться где попало как фиалка в проруби. Вы говорите, что хороший транзистор не будет работать, если мы перепутаем коллектор и эмиттер. Можно разложить "на пальцах" почему, поэтапно, что будет происходить при таком подключении?

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 21:45 
Заслуженный участник


21/08/10
2401
Manolo в сообщении #1289226 писал(а):
А почему мощность, выделяемая в коллекторе, выше?



Ну я же уже сказал: напряжение там больше. Эмиттер-база это меньше вольта. А база-коллектор -- вольт так пять минимум. На открытом переходе (эмиттерном) большое напряжение и не сделать. А вот на закрытом (коллекторном) --- вполне можно.

-- Пт фев 02, 2018 01:47:44 --

Manolo в сообщении #1289226 писал(а):
никто на переход база-коллектор напряжение не подает, ни закрывающее, ни открывающее-



Во-первых, подают, в схеме с общей базой. Во-вторых, напряжение база-коллектор --- это напряжение эмиттер-коллектор минус напряжение эмиттер-база. А последнее всегда маленькое (переход то открыт).

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 22:08 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5003
ФТИ им. Иоффе СПб
Manolo в сообщении #1289226 писал(а):
Но ведь если нет некой направляющей силы(поля), то число таких электронов будет мало? Или не так?
Не так. Диффузионный ток пропорционален градиенту (разности) концентрации. Исходно в базе электронов нет вовсе, поэтому в первый момент они туда ринутся как воздух из проколотого воздушного шарика. Дальше ток как-то устаканится, но градиент концентрации останется. Теория этого дела довольно затейлива (не зря же за биполярный транзистор дали Нобеля в том числе и теоретику - Бардину). По поводу перепутанных коллектора и эмиттера. Концентрация электронов в коллекторе меньше, значит меньше и диффузионный ток. Коллекторный переход заточен под удержание без пробоя высокого напряжения и еще некоторые вещи типа уменьшения собственной емкости перехода. Задача эмиттерного перехода - инжектировать носители, всё остальное вторично. Поэтому хороший коллектор это плохой эмиттер и наоборот.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 22:26 


01/02/18
33
Alex-Yu

Почему напряжение эмиттер-база всегда маленькое? Оно же, строго говоря, не связано с тем, открыт или закрыт переход, какое подадим-такое и будет. Нам для открытия нужно подать некий минимум, порядка 0,6 В для кремниевого транзистора, но это же не означает, что мы не можем подать на этот переход большее напряжение, взяли и кинули, скажем, от плюс 12 В батарейки основного питания, сколько-то осело на резисторе, но остальное у нас будет на переходе эмиттер-база. Переход, конечно, шире не откроется от этого, но напряжение-то никуда не денется.

При таком варианте что получится? Поле в базе станет сильным, оттягивать на себя больше электронов, и транзистор начнет работать некорректно? Т.е. отсюда и вытекает условие, что напряжение между коллектором и эмиттером должно быть больше, чем между эмиттером и базой, для нормальной работы транзистора?

-- 01.02.2018, 22:34 --

amon Если честно, я все равно не очень понимаю, каким образом может возникнуть значимый диффузионный ток, если не принимаем в расчет электрическое поле. Ну, сильно легирован эмиттер, но электронам надо двигаться под действием чего-то и причем двигаться в определенном направлении, а не лишь бы как. С одной стороны, "минус" стремится к "плюсу", но так дырок в базе мало, потому "притянуть" много электронов они не могут. А другие электроны, которые именно за счет диффузии попадают, им энергию сообщает что? Температура окружающей среды, так получается. Но двигаться они будут при этом как бог на душу положит(раз поле мы не учитываем). Или вы хотите сказать, что само по себе количество электронов в эмиттере настолько велико, что количество электронов, которые "случайно" двинуться в нужном нам направлении-в базу, тоже будет многочисленным, так?

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 22:47 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5003
ФТИ им. Иоффе СПб
Manolo в сообщении #1289247 писал(а):
Или вы хотите сказать, что само по себе количество электронов в эмиттере настолько велико, что количество электронов, которые "случайно" двинуться в нужном нам направлении-в базу, тоже будет многочисленным, так?
Типа того. Пусть у Вас есть кучка шариков, сложенная в окрестности начала координат, которые могут случайно прыгать вправо-лево с одинаковой вероятностью. Количество шариков, выпрыгивающих из кучки будет больше, чем впрыгивающих обратно просто потому, что вне кучки шариков нет и прыгать некому. поэтому кучка начнет с некоторой скоростью расползаться. Это и будет диффузионный ток. Такой ток течет туда, где концентрация меньше и поле ему не нужно.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 22:58 


01/02/18
33
amon

И к тому же электроны отталкиваются друг от друга, так что, выходит, им некуда особо деваться. С этим вроде понял, спасибо. По поводу напряжений можете пояснить? Является ли условие, что мы подаем напряжение на эмиттер-коллектор выше, чем на эмиттер-база, необходимым для нормального функционирования транзистора?

Т.е. оно, вроде бы, так и так получится, если перед базой у нас резистор, а источник питания-один. Но, скажем, если эти напряжения примерно равны, какие последствия для работы транзистора? Как я выше описал-поле базы становится сильнее, начинает оттягивать больше электронов, и мы в результате теряем эффективность транзистора, либо он работать вообще не будет? Здесь меня смущает, то, о чем тоже говорил уже-раз длина базы мала, то даже если мы подадим значительное напряжение, сильного поля все равно не получим, поскольку сила поля-напряжение, деленное на длину отрезка, к которому оно приложено. Тогда, даже если, представим, у нас примерно одинаковые напряжения, поле коллектора все равно будет намного сильнее.

-- 01.02.2018, 23:05 --

А нет, поправочка. Похоже, в невнимательности моей все дело. Раз коллектор больше, то при одинаковом напряжении на нем и базе, поле базы будет как раз-таки много сильнее, именно потому,
что меньше ее длина. Следовательно, работа транзистора будет нарушена, т.к. это поле будет пытаться оттягивать электроны в базу, препятствуя их движению в коллектор, и, весьма вероятно, транзистор может просто сгореть. Вроде так.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 23:08 


30/01/18
577
Manolo в сообщении #1289247 писал(а):
Почему напряжение эмиттер-база всегда маленькое? Оно же, строго говоря, не связано с тем, открыт или закрыт переход, какое подадим-такое и будет. Нам для открытия нужно подать некий минимум, порядка 0,6 В для кремниевого транзистора, но это же не означает, что мы не можем подать на этот переход большее напряжение, взяли и кинули, скажем, от плюс 12 В батарейки основного питания


Вы видели когда-нибудь вольт-амперные характеристики транзисторов? Похоже что нет.
Если подать открывающее напряжение $12$ вольт на переход эмиттер база то ток будет Тысячи ампер! кристалл испарится в одно мгновение.

Если эмиттер и коллектор "перепутаны местами" это называется "Инверсный режим" работы транзистора. Такое хоть и редко, но встречается в схемотехнике. (Например некоторых импульсных преобразователях и т.п.) Здесь также надо помнить что допустимое обратное напряжение База-Эмиттер очень маленькое $1-2$ вольта.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 23:14 


01/02/18
33
rascas Тут дело-то не в конкретных числах. Ну, возьмем, не 12 В, а другое какое-то значение, при котором транзистор не сгорает или просто представим, что имеем дело с несгораемыми идеальными транзисторами. Идея в том, чтобы понять, почему напряжение коллектор-эмиттер должно быть больше, чем эмиттер-база, для нормальной работы транзистора, если это утверждение вообще верно.

Про инверсный режим знаю, как и про все остальные. Мне интересно было разобраться, что происходит, поэтапно, при таком включении, а не просто говорить о некоем результате. Получается, раз эмиттер меньше, чем коллектор, а сам коллектор намного меньше легирован, то мы либо не получим достаточного усиления(если сравнивать с "нормальным" подключением), либо, пытаясь его достичь, перегреем, с высокой вероятностью, эмиттер. Как-то так, но могу ошибаться. Как все это происходит детальнее-сам думаю пока. Поймите правильно, какие-то простые моменты из учебников я и сам знаю, но там, как правило, не очень хорошо раскрываются детали.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 23:34 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5003
ФТИ им. Иоффе СПб
Manolo в сообщении #1289267 писал(а):
Мне интересно было разобраться, что происходит, поэтапно, при таком включении, а не просто говорить о некоем результате.
А тут дьявол в деталях. Надо формулы писать, а это не так-то просто. Даже в учебнике Бонч-Бруевича и Калашникова про биполярный транзистор написано на уровне филологии. По-моему, что-то есть в книге Г.Е. Пикуса "Физика полупроводниковых приборов" или что-то подобное. Только она во-первых, сложная, а во-вторых её хрен найдешь.

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение01.02.2018, 23:58 


01/02/18
33
amon
Понял вас. Я изучаю схемотехнику с помощью книг Р. Свореня, Борисова, Касаткина, Мак-Комба и Хоровица-Хилла. Но все равно возникают такие вот вопросы, которые кому-то надо задавать.

Когда мы говорим о том, что в биполярном транзисторе ток базы управляет током эмиттер-коллектор, то как правильно будет сказать, что конкретно является этим током базы-движение дырок из базы в эмиттер или же те немногочисленные электроны, которые попадают в базу? Т.е. это все-таки прямой ток или обратный? Когда начинал читать про биполярные транзисторы, немного вводил в заблуждение термин "рекомбинируют". Насколько понял я-речь идет о взаимном уничтожении зарядов с выделением энергии при этом процессе. Тогда получается-раз дырок в базе мало, а электронов в эмиттере-много, то скорее всего, обратного тока практически не будет, т.к. те немногочисленные дырки, с которыми "не успеют" рекомбинировать электроны, пришедшие в базу, будут "захвачены" этими электронами в эмиттере, в самом начале. Поэтому, я бы сам ответил на свой вопрос, что это ток базы, обусловленный электронами, которые поступают из эмиттера и не попадают в коллектор, "уходя" на "плюс" питания через базовый вывод. С другой стороны, все же не случайно название "биполярный", и те, и другие частицы двигаются, создавая ток. Если следовать определению что ток-это направленное движение заряженных частиц или скорость движения заряда через некую точку, узел, то, когда мы говорим о токе в базе-это суммарный ток, электронов и дырок, и не суть важно, что электроны стремятся в одну сторону-к "плюсу", а дырки-в другую, к "минусу". Где тут правда?

 Профиль  
                  
 
 Re: Вопросы по биполярным транзисторам
Сообщение02.02.2018, 00:20 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


04/09/14
5003
ФТИ им. Иоффе СПб
Manolo в сообщении #1289275 писал(а):
Т.е. это все-таки прямой ток или обратный?
Ток базы прямой. Он управляет "условиями инжекции" на эмиттерном переходе. Все дырки в базе погибают смертью храбрых рекомбинирую с продиффундировавшими электронами. Так что Ваш ответ в общем правильный. Обращаю Ваше внимание на такое обстоятельство. Если эмиттер находится слева от базы, то дырки бегут справа налево, электроны - слева направо, а ток (плотность тока) и тех и других направлен в одну сторону - справа налево, поскольку в него входит знак заряда. Посему можно (и нужно) считать, что ток в npn транзисторе течет от коллектора в эмиттер и из базы в эмиттер.

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 74 ]  На страницу 1, 2, 3, 4, 5  След.

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group