Вопросы по биполярным транзисторам

[Manolo]

amon
Меня в этом моменте запутывает то, что когда мы говорим о токе, то ведь ток возможен тогда, когда цепь замкнута. А где эта цепь для "малого тока, который управляет большим" в биполярном транзисторе? "Плюс"-"база"-"эмиттер"-"минус". Но прямой ток, который протекает через переход эмиттер-база, почти равен току коллекторному, за исключением потерь тех самых электронов, погибших в базе. Мы никак не можем сказать, что этот ток больше коллекторного в 20, 30, 100 раз. Отсюда следует, что тот самый "управляющий ток"-это обратный ток, который обеспечивают дырки. Какой-то иной замкнутой цепи я не вижу для малого тока.

[amon]

Manolo, а что Вас смущает? Всё правильно. Если бы у нас был бы только один переход, то ток в p-области равнялся бы току в n-области, и оба эти тока были бы "электрические". В транзисторе эмиттерный ток кроме "электрической" имеет "диффузионную" составляющую. При этом транзистор специально делают так, что бы диффузионная составляющая была много больше электрической. На коллекторном переходе диффузионный ток "превращается в электрический", поскольку для неосновных носителей этот переход открыт. Так что через транзистор "текут два тока". Один - базовый из базы в эмиттер, другой - коллекторный, который в базе "не электрический", текущий от коллектора в эмиттер. Базовый ток управляет коллекторным, который существенно больше. Отсюда коэффициент усиления по току и прочие приятности.Manolo

[Manolo]

amon Не понимаю. Поясните, пожалуйста, что вы подразумеваете, говоря про "электрическую" составляющую и "диффузную"-те электроны, которые двигаются благодаря электрическому полю открытого перехода и те, которые попадают в базу просто потому, что эмиттер сильно легирован и, когда на его электроны действует некая температура(скажем, просто транзистор лежит у нас в комнате) многим из них этого достаточно, чтобы оторваться и "перепрыгнуть" в базу, такое деление имеется в виду?

Я для себя пробовал так объяснить. В эмиттере есть огромное количество электронов, которые диффундируют вроде как в базу, но по факту в основном пролетают ее и попадают в коллектор. Если рассмотреть переход эмиттер-база и представить его как проводник, то получается что ток на этом участке небольшой. Хотя с этим тоже не все понятно. Как читал я-база выполняется таким образом, что ее сопротивление высоко. Тогда вопросов нет, по закону Ома с током все понятно. Но каким образом это сопротивление достигается-благодаря материалу? По идее, у нас большой "минус" на эмиттере и лишь некоторое количество(много меньшее) дырок на базе. То есть "плюс" на базе вроде и небольшой, зато "минус" на эмиттере огромный, так что получается все равно ток должен быть солидным и повлиять на его величину может лишь сопротивление. Значит, это сопротивление достигается именно благодаря материалу, из которого изготовлена база, а не зарядам, веществам в ней, так? Или дело не в каком-то особом материале изготовления, а в том, что по цепи база-эмиттер у нас есть минимальный ток, обусловленный только электрическим полем базы(если я правильно понял), т.е. тот самый "электрический ток", о котором вы говорили, а ток диффузный тут практически никак не участвует, так как электроны благодаря этой самой диффузии и полю коллектора, попадают в коллектор. Так понял?

Если так, то вывод такой-управляющий ток для транзистора n-p-n будет состоять из тех электронов, которые база "втянет" своим электрическим полем к выводу, и обратного тока(если такой вообще будет), который обеспечивают дырки, двигаясь к эмиттеру.

Но в таком случае мне неясно, каким же это образом получается, что если "электрический" ток, проходящий через эмиттер-базу, увеличивается в N раз, то во столько же возрастает и "диффузный" ток, который протекает через коллектор. То есть там-то он уже превращается в электрический, т.к. электроны подхватываются полем, но вот каким-таким образом увеличение тока через эмиттер-базу(а это ток "электрический", как мы выяснили) может повлиять на количество тех электронов, которые станут дифундировать в базу и оттуда в коллектор-совершенно непонятно. А мы с вами договорились, что электроны проникают в базу главным образом за счет диффузии, а не поля. Если бы это было как-то связано с электрическим полем-одно дело, но, как вы говорите, поле тут мало на что влияет и электроны движутся больше не благодаря ему, а именно из-за процесса диффузии, большого их количества в эмиттере. Откуда же тогда получается такая прямая связь?

В таком раскладе, получается, грубо говоря, что, условно 10% электронов "притянуло" нам в базу электрическое поле, и 90% попали в базу из-за диффузии, влиять на которую, да еще и в таких точных коэффициентах, просто уменьшая или увеличивая ток, мы не можем.

[specialist]

Manolo, Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Том I. (12-е изд., 2008). Вы там увидите модели биполярника, в скорее всего вас заинтересует модель Гуммеля-Пуна. Разберите эту модель, составьте систему уравнений и совместно с системой уравнений окружающей электрической схемы - посчитайте или промоделируйте, покрутите параметры транзистора, посмотрите на разные статические и динамические режимы и после этого по идее должно придти интуитивное понимание, как он работает. Если и после этого не проймет, то можно сначала заглянуть в эту книгу Динеш С. Дьюб Электроника-схемы и анализ, потом сюда: Виноградов Ю.В. - Основы электронной и полупроводниковой техники - 1968 и сюда: В. А. Гуртов. Твердотельная электроника. А Хоровиц П., Хилл У. - Искусство схемотехники. - не читайте для понимания, его цель чуть другая, дать инженеру кучу надежных схем и пояснить типичные ошибки, ну и он чутка устарел, по крайней мере наши издания (возможно переиздание the art of electronics 3rd edition -лучше, но к сожалению пока не переведен).

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289282 писал(а):

Мы никак не можем сказать, что этот ток больше коллекторного в 20, 30, 100 раз.

Так ток эмиттера и не на столько больше коллекторного тока, он его больше чуть-чуть. А вот ток базы, управляющий коллекторным током, меньше коллекторного тока именно в 20, 30, 100 раз (бывает и больше). Ток эмиттера почти весь идет в коллектор. Только малая часть тока эмиттера ответвляется в базу. Но именно эта малая часть и определяет весь большой ток коллектора. Получается, что малый ток управляет большим током.

Вообще проще понять работу транзистора в схеме с общей базой (и там усиления тока нет, хотя усиление мощности --- есть). А к схеме с общим эмиттером можно потом перейти по общей теории обратной связи (схему с ОЭ можно рассматривать как схему с ОБ и сильной отрицательной обратной связью по току).

-- Пт фев 02, 2018 16:39:41 --

Manolo в сообщении #1289290 писал(а):

В эмиттере есть огромное количество электронов, которые диффундируют вроде как в базу, но по факту в основном пролетают ее и попадают в коллектор.

В общем-то верно. Хотя "пролетают" не за счет инерции, а за счет диффузии. Но в общих чертах похоже. А как только эти электроны окажутся близко к коллекторному переходу, их там сразу "подхватит" сильно электрическое поле, "утягивающее" их в коллектор.

При этом надо иметь в виду, что диффундировать электроны в базу будут только если эмиттерный переход немного приоткрыть небольшим напряжением эмиттер-база. А если этого "приоткрытия" нет, то диффузии не будет, она будет подавленна собственным полем pn-перехода..

-- Пт фев 02, 2018 16:42:18 --

Manolo в сообщении #1289290 писал(а):

Если рассмотреть переход эмиттер-база и представить его как проводник, то получается что ток на этом участке небольшой.

А вот это уже не верно. Ток эмиттера большой, но в базу ответвляется только малая его часть, бОльшая часть уходит в коллектор.

Простой закон сохранения заряда: ток эмиттера есть сумма тока базы и тока коллектора. Чего бы там внутри транзистора ни происходило, в итоге это должно выполняться.

-- Пт фев 02, 2018 16:47:09 --

Manolo в сообщении #1289290 писал(а):

Но каким образом это сопротивление достигается-благодаря материалу? По идее, у нас большой "минус" на эмиттере и лишь некоторое количество(много меньшее) дырок на базе. То есть "плюс" на базе вроде и небольшой, зато "минус" на эмиттере огромный, так что получается все равно ток должен быть солидным и повлиять на его величину может лишь сопротивление. Значит, это сопротивление достигается именно благодаря материалу, из которого изготовлена база, а не зарядам, веществам в ней, так? Или дело не в каком-то особом материале изготовления, а в том, что по цепи база-эмиттер у нас есть минимальный ток, обусловленный только электрическим полем базы(если я правильно понял), т.е. тот самый "электрический ток", о котором вы говорили, а ток диффузный тут практически никак не участвует, так как электроны благодаря этой самой диффузии и полю коллектора, попадают в коллектор. Так понял?

Этот поток сознания понять уже не возможно. какой такой плюс-минус, относительно чего плюс, напряжения или тока плюс... Бр-р-р-р-р...


А сопротивление базы --- это паразитный эффект, несколько ухудшающий работу транзистора и вовсе даже не нужный для этой работы.

[Manolo]

Alex-Yu Значит, согласно правилу Кирхгофа(для токов), получаем-ток эмиттера равняется сумме токов базы и коллектора.

Мне тут непонятно вот что-что за "ток эмиттера"? Поток электронов? Для того, чтобы был ток, должна быть замкнутая цепь, так? Или в данном случае цепь нам не важна, достаточно того, что в какой-то области(эмиттер) направленно движутся электроны-это можно считать током?

Просто если рассматривать что для движения тока цепь должна быть замкнутой, то в замкнутой цепи ток одинаков, если представить эмиттер-базу, как отрезок провода, то мы не можем сказать, что на участке эмиттера ток выше, а в базе-ниже. Управляющий ток по какой цепи проходит в итоге, разве не эмиттер-база? И это ток малый, не так?

Что еще непонятно-мы оговорили, что без прямого смещения, "открытия ворот", никакого значимого движения не будет, система установится в динамическом равновесии. Но, когда мы подали прямое смещение на переход эмиттер-база, обратное-на переход коллектор-база, электроны пошли(транзистор n-p-n), то мы оговорили, что данное движение происходит в гораздо большей степени не благодаря электрическому полю, а диффузии. И мне не ясно, каким образом в таком случае, если я меняю малый ток, то ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ЕМУ меняется ток большой. Где прямая связь этих токов? Мы увеличили управляющий ток, стало больше поле, но как оно повлияет на пропорциональное увеличение количества диффундирующих электронов, раз от поля этот процесс мало зависит? Где ошибка в моих рассуждениях?

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289442 писал(а):

Для того, чтобы был ток, должна быть замкнутая цепь, так?

Ну а где Вы видели РАБОТАЮЩИЙ транзистор, который никуда не подключен? Естественно где-то там, через выводы транзистора получается замкнутая цепь (даже несколько замкнутых цепей). Но никто нам не мешает рассматривать только кусочек этой цепи --- транзистор.

-- Пт фев 02, 2018 18:44:06 --

Manolo в сообщении #1289442 писал(а):

если представить эмиттер-базу, как отрезок провода, то мы не можем сказать,

Нельзя трехполюсник (у транзистора три вывода) представлять как двухполюсник (два вывода)

-- Пт фев 02, 2018 18:49:12 --

Manolo в сообщении #1289442 писал(а):

Управляющий ток по какой цепи проходит в итоге, разве не эмиттер-база?

Нет. Через эмиттер течет (в схеме ОЭ) и управляющий ток, и выходной ток. "Ток по цепи эмитер-база" ---- а что это такое? Контурный ток в смысле метода контурных токов? Ну можно и так, но тогда это не тот ток, который течет через эмиттер. Когда есть транзистор, имеется как минимум два контурных тока. И контурные токи это совсем не то же самое, что токи в отдельных ветвях схемы.

-- Пт фев 02, 2018 18:54:20 --

Manolo в сообщении #1289442 писал(а):

мне не ясно, каким образом в таком случае, если я меняю малый ток, то ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ЕМУ меняется ток большой.

Чем больше вылетит электронов из эмиттера, тем больше будет и ток базы, и ток коллектора. Прямо пропорционально. А если ток базы и ток коллектора оба пропорциональны току эмиттера, то они и между собой тоже пропорциональны.

-- Пт фев 02, 2018 18:57:51 --

Manolo в сообщении #1289442 писал(а):

Мы увеличили управляющий ток, стало больше поле,

Нет, не так. Мы увеличили управляющий ток --- стало больше электронов вылетающих из эмиттера. Просто потому, что управляющий ток базы --- это часть (довольно малая) тока эмиттера. Следовательно стало больше электронов залетающих в коллектор.

[Manolo]

Alex-Yu

А как тогда проходит управляющий ток, если не через эмиттер-база? Мы же напряжение прикладываем именно к эмиттеру и базе, когда хотим увеличить малый ток.

Я не могу понять, почему увеличение малого тока(читай-открыли шире "ворота"), приводит к такому же в точности увеличению тока в коллекторе. Ведь малый ток-это ток, который получается благодаря тому, что электрическое поле базы захватывает какую-то(небольшую) часть электронов. В самом эмиттере тоже действует поле, и я изначально полагал, что именно благодаря ему растет поток электронов в базу, а далее они уже распределяются-мизерную часть захватывает поле базы, еще одна часть-рекомбинирует, остальное захватывает поле коллектора. Тогда вроде бы понятно: увеличили напряжение эмиттер-база-стало сильнее поле перехода-потекло пропорционально больше электронов. НО ! Мы оговорили тот момент, что электроны попадают в базу главным образом не благодаря полю, а благодаря диффузии. Понятно, что если мы делаем проход шире, то их попадет туда больше, но с какой стати пропорционально-то? Диффузия от чего зависит, чем управляется? Грубо говоря, я перенес транзистор в теплую комнату, это тепло сообщило энергию какой-то части электронов, они оторвались и пошли "кто в лес, кто по дрова", какая-то часть из них залетела в базу. Отнес транзистор в холодильник-уже таких электронов-путешественников станет меньше. А каким образом ток в прямой пропорции влияет на такого уровня процессы, мне непонятно совершенно, они же во многом не от этого зависят, а от температуры среды, если речь именно о диффузии.

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289449 писал(а):

А как тогда проходит управляющий ток, если не через эмиттер-база? Мы же напряжение прикладываем именно к эмиттеру и базе, когда хотим увеличить малый ток.

А коллектор при это никуда не подключен что ли? И ток, текущий через коллектор, никак, ни через базу, ни через эмиттер не замыкается что ли??? Все, идите учите метод контурных токов. Разговор окончен. Я не собираюсь комментировать глупости.

[Manolo]

Alex-Yu Эмиттер-коллектор-это другая ветвь, по которой движется ток. Спасибо, что отвечали на вопросы, хотя мне и не все понятно. На то и форум, чтобы умный человек объяснил тому, кто поглупее. Прикидываться понимающим я не буду, какие у меня вопросы есть-задаю, уж как умею.

Господа, поясните, кто может, пожалуйста:

Пусть у нас есть транзистор структуры n-p-n, один источник питания, с которого мы подключаем: "плюс"-на коллектор и базу, "минус"-на эмиттер и базу. На входе базы ставим резистор, переменный или подстроечный и еще одним резистором притягиваем базу к "земле" от "наводок", на тот случай, когда напряжение питания равно 0.

Что имеем в результате-переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база в обратном. Теоретически так, а практически тут вот какой вопрос-в данном примере на базу подается как "плюс", так и "минус", как база транзистора различает, что ей использовать для эмиттера и что для коллектора или конструктивно так делается, что для перехода эмиттер-база на базе будет "плюс", а для перехода база-коллектор на базе "минус"? Изначально, когда я разбирал биполярные транзисторы, то "подключил" n-p-n так: на базу-"плюс", на эмиттер-"минус", на коллектор-"плюс". Но в таком случае для перехода база-коллектор мы не можем говорить об обратном смещении, поскольку и на базе "плюс" и на коллекторе, а нам надо чтобы на базе был "минус". Где ошибка?

Далее, представим, что с этим вопросом разобрались, получили прямое смещение на эмиттере и обратное на коллекторе. Из сильно легированного эмиттера в слабо легированную дырками базу(читай, большое сопротивление) стали поступать электроны. За счет чего они стали поступать-под действием диффузии и электрического поля. Как мне объяснили, процесс диффузии является преобладающим по сравнению с тем, что электроны двигаются под действием поля. Хотя откуда откуда же тогда прямая зависимость 1 к 1 на эту диффузию, когда мы увеличиваем напряжение между эмиттером и базой(увеличивая тем самым ток) и силу поля соответственно, я не понял, раз не в поле дело.

Идем дальше-часть электронов рекомбинирует с дырками, часть захватывается полем базы и проходит через ее выход, образуя тем самым тот самый управляющий малый ток. Остальная, "львиная" часть электронов захватывается полем коллектора и движется к его выходу.

Прошу поправить, указать что неправильно.

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289449 писал(а):

Ведь малый ток-это ток, который получается благодаря тому, что электрическое поле базы захватывает какую-то(небольшую) часть электронов.

Это не верно. Электрическое поле, возникшее из-за подачи небольшого положительного напряжения на базу (относительно эмиттера), открывает эмиттерный переход. Это поле регулирует весь большой поток электронов из эмиттера. Маленькая часть этого потока ответвляется в базу. Остальное --- в коллектор.

А Вы пишите так, будто поток электронов из эмиттера и так, сам по себе есть (вечный двигатель, ага ), а поле лишь регулирует долю, которая уйдет на базу. НЕ ВЕРНО! Эта доля зависит от конструкции транзистора и напряжения (относительно эмиттера) на коллекторе (а не на базе). От напряжения на базе токораспределение практически не зависит.

-- Пт фев 02, 2018 19:38:24 --

Manolo в сообщении #1289449 писал(а):

Мы оговорили тот момент, что электроны попадают в базу главным образом не благодаря полю, а благодаря диффузии.

Это чушь.

В самом переходе есть контактное поле, которое полностью подавляет диффузию электронов из эмиттера в базу. И только добавив поле от внешнего источника мы это подавление до нуля нарушаем, возникает ток эмиттера. Ток эмиттера зависит от небольшого напряжения между эмиттером и базой.

[Dmitriy40]

Бывает схема включения транзистора с коллектором в воздухе, бывает с коллектором замкнутым на базу - но в обоих случаях транзистор превращается в диод база-эмиттер и ничего нового по сравнению с диодом не происходит. Потому они при исследовании работы транзистора как транзистора и не упоминаются, хотя на практике и применяются.

Manolo
Токи коллектора и базы нельзя рассматривать независимо. Если коллектор никуда не подключить, то на нём скопится заряд и ток коллектора прекратится (запрётся полем), останется лишь ток базы (в эмиттер). При подключении коллектора к источнику напряжения ток коллектора (колллектор-эмиттер) зависит от того сколько вылетело электронов из эмиттера, а это регулируется током базы (база-эмиттер). Причём большинство вылетевших электронов пролетят базу насквозь и осядут в коллекторе - ток базы в разы меньше тока коллектора. В результате ток коллектора зависит от тока базы.

[Manolo]

Alex-Yu

На первой странице этой темы, amon пишет: "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".

Вы пишите: "А Вы пишите так, будто поток электронов из эмиттера и так, сам по себе есть, а поле лишь регулирует долю, которая уйдет на базу".

Вот в том и дело, что меня это смущает. Я сам изначально предполагал что все дело в электрическом поле, иначе получается что есть некая диффузия-слабо управляемый процесс, который вроде мы и можем контролировать через уменьшение-увеличение ворот перехода, но не так чтобы прямо пропорциональные зависимости при этом получать.

Значит, все-таки дело в том, что фактически мы-раскрываем шире ворота перехода, поток через которые полностью регулируется электрическим полем и "случайная" диффузия тут особой роли не играет? А как тогда получается что через базовый вывод проходят хоть какие-то электроны, а не все они втягиваются полем коллектора? Если, скажем так, к этому выводу(базы) какое-то количество электронов попадает случайно, а не регулируемо, то мы не можем говорить о том, что ток, образованный ими, будет пропорционален току коллектора.

[Alex-Yu]

Manolo в сообщении #1289471 писал(а):

amon пишет

На мой взгляд он зря про диффузию сказал. Хотя это и верно.

Вам, видимо, сначала, до транзистора, надо получше разобраться с диодом. Там тоже есть диффузия. Но потока носителей в не подключенном никуда диоде нет. Почему? Больше же концентрация электронов в n-области, почему же диффузии (а значит и тока) нет??? С дырками в p-области аналогично. А дело вот в чем.

Если взять два куска полупроводника, один p-типа, другой n-типа, и привести их в соприкосновение, то действительно электроны будут диффундировать из n-типа в p-тип, а дырки в противоположную сторону. В полном соответствии с законами диффузии. Но это будет продолжаться недолго!!!! Диффузия зарядов приведет к возникновению электрического поля, тормозящего эту диффузию. И это поле будет наростать, пока ток (диффузия) не прекратится полностью. И только подав внешнее поле, мы это "запирание диффузии полем" нарушим, возникнет ток pn-перехода. Так работает диод. Эмиттерный переход транзистора работает аналогично. С той лишь разницей, что бОльшая часть инжектированных носителей уходит в коллектор вместо базы (вот здесь, для тех электронов, которые уже влетели в базу, играет роль диффузия в сторону коллектора).

-- Пт фев 02, 2018 20:26:08 --

Manolo в сообщении #1289471 писал(а):

А как тогда получается что через базовый вывод проходят хоть какие-то электроны, а не все они втягиваются полем коллектора?

Диффузия электронов идет во все стороны. Но до вывода базы далеко, а до коллектора близко. Значит градиент концентрации (которому пропорционален диффузионный поток) в сторону вывода базы маленький, а в сторону коллектора --- большой. Поэтому поток электронов в сторону вывода базы намного меньше потока в сторону коллектора. Ну а втягиваться будет когда совсем близко к коллектору подойдет.

[Manolo]

Alex-Yu

Это я понимаю, я читал и про строение атома, и каким образом получаются(легируются) переходы, что в итоге никуда не подключенная система приходит в равновесное состояние с образованием запирающего слоя, который мы можем либо усилить, либо ослабить, а далее-открыть и расширить(до определенного предела).

И если вы говорите, что про диффузию было верно сказано, то я не понимаю. Ну вот есть этот слой запирающий, мы подали минимально достаточное напряжение, чтобы его преодолеть и открыли некий небольшой канал, проход, так скажем. И вот теперь, количество электронов в секунду, которое будет через него проходить, разве не исключительно напряжением(читай, полем) определяться будет? Причем же тут некое случайное проникновение каких-то электронов именно за счет диффузии, не поля? Не говоря уже о том, чтобы количество таких электронов было много большим, чем тех, которые с помощью поля пойдут.

Далее, получается так, если упростить: через вывод базы пройдут N электронов, а в коллектор N умножить на k, где k-некий постоянный коэффициент. Ну и каким же образом это постоянство достигается? Что конкретно регулирует ту пропорцию-что к базовому выводу попадет именно N электронов, а где в коллектор N умножить на k. Абсолютно не понимаю. Начать хотя бы с того, что обуславливает то, какое количество электронов из эмиттера пройдут через базовый вывод? Не рекомбинируют, взаимоуничтожившись с дырками, а именно пройдут, создав малый ток.