Fonctionnement de base d'un transistor à jonction bipolaire

J'ai vraiment essayé de comprendre le principe de fonctionnement de base d'un transistor. J'ai fait référence à de nombreux livres et visité des forums, mais je n'ai jamais obtenu de réponse convaincante.

Voici les choses que je veux comprendre:

Un transistor est similaire à une diode polarisée en inverse, sauf si une tension est appliquée à la base. Étant donné que la jonction émetteur-base est polarisée vers l'avant, il y aura conduction, disons, d'électrons (npn). Que se passe-t-il alors? Est-il vrai que ces électrons de la base franchissent la barrière de la jonction collecteur-base et que le courant combiné passe ensuite vers l'émetteur? (IB + IC = IE)

Et pourquoi est-ce que nous devenons plus à jour? Où est l'amplification? Cela ne peut pas être comme créer quelque chose à partir de rien. Je sais que je manque un point crucial ici. Quelqu'un peut-il m'expliquer clairement en termes simples?

Cela fait une semaine que j'essaie de comprendre cela. :(

Lorsque les électrons traversent une jonction à diode polarisée vers l'avant, telle que la jonction base-émetteur d'un transistor, il leur faut en réalité un temps non nul pour se recombiner avec des trous du côté P et être neutralisés.

Dans un transistor NPN, la région de base de type P est construite de manière à être si étroite que la plupart des électrons le traversent réellement avant que cette recombinaison ne se produise. Une fois qu'ils atteignent la région d'épuisement de la jonction base-collecteur polarisée en inverse, qui a un fort champ électrique à travers elle, ils sont rapidement balayés de la région de base, créant le courant de collecteur.

Le courant total à travers la jonction base-émetteur est contrôlé par la tension base-émetteur, qui est indépendante de la tension du collecteur. Ceci est décrit par la célèbre équation d'Ebers-Moll . Si le collecteur est en circuit ouvert, tout ce courant sort de la connexion de base. Mais tant qu'il y a au moins une petite polarisation positive sur la jonction collecteur-base, la majeure partie du courant est détournée vers le collecteur et seule une petite fraction reste à s'écouler hors de la base.

Dans un transistor à gain élevé, moins de 1% des électrons se recombinent réellement dans la région de base, où ils restent en tant que courant de base-émetteur, ce qui signifie que le courant de collecteur peut être égal à 100 fois ou plus le courant de base. Ce processus est optimisé grâce à un contrôle minutieux de la géométrie des trois régions et des niveaux de dopage spécifiques utilisés dans chacune d'elles.

Tant que le transistor est polarisé dans ce mode de fonctionnement, une petite variation de la tension base-émetteur (et une variation correspondante faible du courant base-émetteur) provoque une variation beaucoup plus importante du courant collecteur-émetteur. En fonction de l'impédance externe connectée au collecteur, cela peut également entraîner une variation importante de la tension du collecteur. Le circuit global présente un gain de puissance car la puissance de sortie (ΔV _C × ΔI _C ) est bien supérieure à la puissance d'entrée (ΔV _B × ΔI _B ). Selon la configuration spécifique du circuit, ce gain de puissance peut être réalisé sous la forme d'un gain de tension, d'un gain de courant ou d'une combinaison des deux.

Essentiellement, la même chose se produit dans un transistor PNP, mais maintenant, vous devez considérer les trous (l'absence d'électron) comme étant le porteur d'une charge positive qui dérive tout au long de la base de type N vers le collecteur.

Lisez et relisez l'excellente réponse de Dave.

Puis inversez mentalement ce qui se passe ...

Vous avez une jonction base-émetteur polarisée vers l'avant, et les circuits externes connectés à la base nécessitent un courant Ib, qui est fourni par des électrons provenant de l'émetteur.

Mais quand un électron entre dans la région de base, il rencontre un fort champ électrique le tirant vers le collecteur (positif). La majorité (une proportion importante et assez bien définie) de ces électrons sont perdus (du courant de base) et émergent sous forme de courant de collecteur, pour les raisons expliquées si bien dans la réponse de Dave. Donc, plutôt qu'un amplificateur efficace, vous pourriez tout aussi bien voir le transistor comme un fournisseur désespérément inefficace de courant de base!

De ce point de vue, le circuit de base exige Ib et l'émetteur le fournit. Mais en tant que sous-produit, un courant beaucoup plus important (Ic = 100Ib) est "perdu" pour le collecteur. C'est bien sûr ce que nous voulons vraiment.

EDIT re: comment: En fin de compte (la plupart, disons 99%), les électrons de l'émetteur entrent dans la région du collecteur.

En fin de compte, le courant du collecteur doit être (légèrement) plus petit que le courant de l'émetteur d'alimentation.

Droit aux deux.

Quel est le but?

1) Un très petit courant de base contrôle un grand courant de collecteur, et le courant d'émetteur est la somme de ces deux.

2) Le rapport Ic / Ib (hFE ou gain de courant) est approximativement indépendant de la tension du collecteur Vce (jusqu'à ce que Vce soit faible, disons <1V). Cela signifie que pour un choix d'impédance approprié dans le circuit de collecteur, un petit changement de Ib peut entraîner un grand changement de Ic et un grand changement de Vce; c'est de là que vient le gain de tension.

Ainsi, l'amplificateur "à émetteur commun" habituel a la charge dans le circuit collecteur et a à la fois un gain de courant élevé et un gain de tension élevé.

C'est ainsi que je le vois, j'espère que cela ajoute quelque chose d'utile à la discussion:

SEMI-CONDUCTEURS, DIODES ET TRANSISTORS

ÉLECTRONS ET TROUS

Pensons à une rangée de pièces de monnaie disposées en ligne, se touchant, sur une table. Déplacez le penny du côté droit de la largeur d'un centime vers la droite, en laissant un espace. Continuez ensuite à déplacer le sou à gauche de l'écart dans l'espace. Au fur et à mesure que vous avancez, tous les centimes se sont déplacés vers la droite et l'écart s'est déplacé sur la table vers la gauche. Imaginez maintenant les sous sous forme d'électrons, et vous pouvez voir comment les électrons se déplaçant dans un sens à travers un semi-conducteur provoquent le déplacement des trous dans le sens opposé.

Pour étirer l'analogie, nous pourrions utiliser de petites piles de pièces de monnaie, donc beaucoup doivent se déplacer à droite avant qu'un trou ne se déplace à gauche. Ou nous pourrions avoir quelques pièces de monnaie et beaucoup d'espace pour que les trous se déplacent facilement lorsque les pièces de monnaie clairsemées sont déplacées à travers les larges lacunes. Ces deux cas modélisent les deux formes de silicium dopé, beaucoup d'électrons ajoutés et nous avons de type N, beaucoup de trous (électrons retirés) et nous avons de type P. Les types sont obtenus en mélangeant (dopant) le silicium avec de petites quantités d'autres métaux.

Les électrons devant lutter à travers les atomes d'un semi-conducteur, sa résistivité est relativement élevée. Les premiers semi-conducteurs utilisaient du germanium, mais, à l'exception de cas particuliers, le silicium est aujourd'hui le choix universel.

Le fil de cuivre peut être visualisé comme ayant de gros tas d'électrons de penny, tous rapprochés, donc un courant est le mouvement des quelques centimes au sommet des tas, aucun trou n'est produit du tout. Avec autant de ressources disponibles pour le courant, la résistivité, comme nous le savons, est faible.

DIODES

La diode semi-conductrice la plus courante (il existe d'autres types spécialisés) a une jonction entre le type N et le type P. Si une tension est appliquée à la diode, positive à l'extrémité de type N et négative à l'autre, les électrons sont tous attirés vers l'extrémité positive, laissant des trous à l'extrémité négative. Avec presque pas d'électrons au milieu, presque aucun courant ne peut circuler. La diode est "à polarisation inverse"

Lorsque la tension est appliquée dans l'autre sens, négative à l'extrémité de type N et positive au type P, les électrons sont attirés vers le milieu et peuvent traverser pour annuler les trous dans le type P et s'écouler dans le fil de connexion. À l'autre, la tension négative, à la fin, les électrons sont repoussés au milieu de la diode, pour être remplacés par ceux qui arrivent du fil, donc globalement un courant peut circuler facilement: la diode est polarisée en direct.

Les connexions à une diode sont appelées "anode" qui est l'extrémité positive lorsque la diode est polarisée en direct, et "cathode" qui est l'extrémité négative. Je me souviens de ceux-ci par analogie avec les mêmes termes pour les vannes, qui ont besoin d'une tension positive élevée (HT pour "High Tension" - gardez vos doigts) à l'anode pour que le courant circule. Un bon mnémonique pour la polarité d'une diode polarisée vers l'avant pourrait être PPNN: "Positif, type P, type N, négatif".

Une diode varactor exploite le fait que deux zones de charge séparées, positive et négative, forment un condensateur brut. Ainsi, des diodes spécialement conçues sont conçues pour exploiter cela, lorsqu'elles sont inversées. La tension appliquée sépare les charges, formant une "couche d'épuisement" entre les contacts. L'augmentation de la tension inverse appliquée rend cette couche plus épaisse, réduisant ainsi la capacité, et vice versa. Les diodes varactor sont couramment utilisées dans les circuits accordés pour varier la fréquence, remplaçant les condensateurs à ailettes qui étaient utilisés à l'époque des vannes.

TRANSISTORS BIPOLAIRES

Un transistor bipolaire est un transistor dont le fonctionnement dépend à la fois des électrons et des trous. Il comprend deux diodes dos à dos partageant une couche centrale commune. L'une des bornes extérieures est le collecteur C et l'autre est l'émetteur E. La connexion centrale est la base B, et elle fait partie des diodes CB et BE. Nous avons donc un sandwich à trois couches. En utilisation normale, la diode entre C et B est polarisée en inverse, donc sans la présence de la diode BE et de son effet, aucun courant ne circulerait, car tous les électrons sont tirés jusqu'à une extrémité de la section CB et les trous à l'autre extrémité, comme dans une diode, par la tension appliquée.

La diode BE est polarisée en direct, donc un courant peut circuler et le circuit externe est configuré pour limiter cela à une valeur assez petite, mais il y a encore beaucoup de trous et d'électrons qui traversent la base et l'émetteur.

Maintenant, le morceau intelligent. La connexion commune des diodes CB et BE à la base est très mince, de sorte que le flux d'électrons et de trous dans la partie BE remplace ceux que la tension inverse du collecteur a retirés, et un courant peut maintenant circuler à travers cette diode CB la direction inverse, puis à travers la jonction BE à polarisation avant vers l'émetteur et vers le circuit externe.

Je pense qu'il est évident que vous ne pouvez pas faire un transistor en soudant deux diodes dos à dos, l'action nécessite ce partage intime de la couche mince à l'intérieur du silicium.

Le courant du collecteur dépend de la présence d'un courant de base et le transistor est conçu de sorte qu'un petit courant dans la diode BE ouvre la voie à un courant beaucoup plus important dans la jonction CB. Nous avons donc une amplification de courant. En utilisant des chutes de tension à travers des résistances externes, cela peut être converti en amplification de tension.

Ces transistors sont appelés "bipolaires" car ils ont effectivement deux jonctions.

J'ai soigneusement évité de mentionner le type de matériau dans les diodes CB et BE, les idées sont les mêmes pour les deux, et nous pouvons avoir NPN ou PNP comme couches possibles. La flèche, sur l'émetteur, dans le symbole, qui montre la direction du courant collecteur conventionnel (l'opposé du flux d'électrons), pointe dans la direction du côté négatif de la tension CE appliquée, donc le courant est "hors P ou en N à l'émetteur ".

TRANSISTORS À EFFET DE CHAMP ou FET

Il existe de nombreux modèles de transistors à effet de champ différents, et c'est un regard très simpliste sur leur principe de base.

Ce sont des transistors "unipolaires", bien que le terme ne soit pas souvent utilisé, car leur fonctionnement ne dépend que des électrons et des champs électriques, pas des trous.

Ici, nous avons un seul bloc de silicium dopé, le "canal", avec des morceaux de type opposé sur les côtés, ou comme un anneau encerclant. Nous n'avons donc qu'une seule jonction de diode, appelée la porte G, entre les morceaux ou l'anneau et le canal. Le canal agit comme une résistance, avec un courant qui passe par une extrémité, la source S, à l'autre le drain D.La jonction entre la porte et le canal est polarisée en inverse, donc aucun courant ne circule, mais il y a un champ électrique mis en place qui tire des charges, des électrons ou des trous, sur les côtés du canal, laissant moins disponible pour le courant SD. Ainsi, nous avons le courant SD contrôlé par la tension sur la grille.

Notez qu'il s'agit d'un appareil commandé en tension, pratiquement aucun courant ne pénètre dans ou hors de la porte. Pensez à la loi d'Ohm: Résistance = Volts / Ampères, et nous voyons qu'un courant très faible signifie une résistance très élevée, donc le FET aurait une très haute impédance d'entrée - son principal avantage sur Bi-Polar, où, par en revanche, il faut peu de tension pour envoyer le courant à travers la base, ce qui lui donne une faible impédance d'entrée