Transistors BJT saturés. : AKA - Les choses qui vous font aller "Hmmmm"


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Nous les utilisons tous les jours et les connaisseurs comprennent parfaitement les caractéristiques fonctionnelles des transistors BJT. Il existe de nombreux documents et liens expliquant les mathématiques opérationnelles. Il y a même des tonnes de belles vidéos qui expliquent les théories actuelles sur leur fonctionnement physique. (La plupart de ces derniers sont donnés par des gens qui parlent "anglais du télé-commerçant" pour une raison quelconque.)

Cependant, je dois admettre, même après 40 ans et plus, que je dois en accepter beaucoup à leur valeur nominale, car les descriptions de la façon dont la jonction du collecteur s'inscrit dans l'équation sont toujours un peu ondulées.

Quoi qu'il en soit, mis à part, il y a une facette que je ne comprends vraiment pas. Il semble défier les lois de la physique, les lois de Kirchhoff et al.

Je parle de votre circuit d'émetteur commun saturé standard.

On sait, et nous acceptons, que lorsqu'elle est saturée, la tension du collecteur sera inférieure à la tension de base. Nous utilisons évidemment cela à notre avantage dans les circuits et avons choisi des pièces pour nous donner un Vce-Sat aussi bas que possible pour un courant de charge particulier.

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

Très bien et dandy, jusqu'à ce que vous regardiez le mode quintessentiel d'un transistor NPN typique ...

entrez la description de l'image ici

Comment diable le collecteur peut-il être une tension inférieure à la base dans ce sandwich?

Même si vous ajoutez une tension de type back-EMF pour en tenir compte, le courant du collecteur irait dans le mauvais sens à travers la jonction base-collecteur.


Cela aide-t-il à penser que les électrons créent un élan lorsqu'ils accélèrent à travers Vbe, ce qui les transporte complètement à travers la région de base (très étroite) dans le collecteur? (comme faire de la roue libre sur votre vélo en descendant et en montant la prochaine (plus petite) colline, manquer le virage à droite sur une piste étroite en bas?
Brian Drummond

On dirait que vous pourriez avoir besoin de descendre quelques niveaux d'abstraction ...
Eugene Sh.

@BrianDrummond ya c'est les réponses classiques ondulées à la main dont je parlais qui contournent les lois de base de l'EE. Que d'une manière ou d'une autre, ils
apparaissent

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Ouais. Vous avez un courant d'émetteur de base. Vous avez un courant de collecteur de base. Et vous avez un courant émetteur collecteur. Le courant du collecteur de base est faible jusqu'à ce que vous passiez en saturation. La raison pour laquelle le courant de base augmente (avec Ic maintenu constant) en saturation est qu'une partie du courant prend un raccourci vers la base en allant au collecteur à la place.
mkeith

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Il pourrait être intéressant de placer une résistance de faible valeur entre le collecteur et la terre et de mesurer la quantité de courant qui circule vers la terre à travers le collecteur par rapport au chemin prévu (à travers l'émetteur mis à la terre).
Spehro Pefhany

Réponses:


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Dans un transistor bipolaire, l'émetteur a un dopage beaucoup plus élevé que la base. Lorsque vous appliquez une polarisation directe à la diode base-émetteur, le courant circule et, en raison du dopage plus élevé dans l'émetteur, beaucoup plus d'électrons circulent de l'émetteur dans la base que de trous ne s'écoulent de la base dans l'émetteur.

Le courant dans un semi-conducteur peut circuler via deux mécanismes principaux: il y a un courant de "dérive", où un champ électrique accélère les électrons dans une certaine direction. C'est le moyen simple de circulation du courant auquel nous sommes tous habitués. Il y a aussi le courant de "diffusion", où les électrons se déplacent des zones de concentration d'électrons plus élevée vers des zones de concentration plus faible, un peu comme l'eau trempant dans une éponge. Cependant, ces électrons diffusants ne peuvent pas se déplacer indéfiniment, car à un moment donné, ils toucheront un trou et se recombineront. Cela signifie que les électrons diffusants (libres) dans un semi-conducteur ont une demi-vie et une soi-disant longueur de diffusion, qui est la distance moyenne qu'ils parcourent avant de se recombiner avec un trou.

La diffusion est le mécanisme par lequel une jonction de diode crée sa région d'appauvrissement.

Maintenant, si la diode base-émetteur est polarisée en direct, la région d'appauvrissement de la diode base-émetteur devient plus petite et les électrons commencent à diffuser de cette jonction dans la base. Cependant, étant donné que le transistor est construit de telle sorte que la longueur de diffusion de ces électrons soit plus longue que la base est large, beaucoup de ces électrons sont en fait capables de diffuser à travers la base sans se recombiner et sortir au collecteur, "tunneling" à travers la base en n'interagissant pas avec les trous qui s'y trouvent. (La recombinaison est un processus aléatoire et ne se produit pas immédiatement, c'est pourquoi la diffusion existe en premier lieu.)

Donc au final, certains électrons se retrouvent dans le collecteur par mouvement aléatoire. Maintenant qu'ils sont là, les électrons ne peuvent retourner dans la base que lorsqu'ils surmontent la tension de polarisation directe de la diode base-collecteur, ce qui les amène à "s'accumuler" dans le collecteur, diminuant la tension là-bas, jusqu'à ce qu'ils puissent surmonter la jonction base-collecteur et reflux. (En réalité, ce processus est un équilibre, bien sûr.)

Avec les tensions que vous appliquez à la base, à l'émetteur et au collecteur, vous créez uniquement les champs électriques dans le semi-conducteur qui provoquent la dérive des électrons vers la région d'appauvrissement, modifiant la concentration des électrons dans le cristal, ce qui entraîne alors un courant de diffusion traversant le base. Alors que des électrons uniques sont influencés par les champs électriques créés par les tensions aux bornes du transistor, ils n'ont pas eux-mêmes de tension, seulement des niveaux d'énergie. Dans une partie du cristal qui est généralement à la même tension, les électrons peuvent (et auront) une énergie différente. En fait, deux électrons ne peuvent jamais avoir le même niveau d'énergie.

Cela explique également pourquoi les transistors peuvent fonctionner en sens inverse, mais avec un gain de courant beaucoup moins important: il est plus difficile pour les électrons de diffuser dans la région de l'émetteur fortement dopé que dans le collecteur légèrement dopé car la concentration en électrons y est déjà assez élevée. Cela rend ce chemin moins favorable pour les électrons que dans le transistor non inversé, donc plus d'électrons sortent directement de la base et le gain est plus faible.


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Jonathon, c'est très bien et classique, mais cela n'explique pas comment vous pouvez avoir une couche au milieu qui est à une tension plus élevée que celle au-dessus.
Trevor_G

@Trevor_G Dans un semi-conducteur, il n'y a pas vraiment de "tensions". Il existe des champs électriques, mais des électrons uniques peuvent avoir de nombreux niveaux d'énergie différents même s'ils se trouvent dans la même zone du cristal. Si ce n'était pas le cas, il n'y aurait pas de bandes interdites et donc pas de semi-conducteurs. Un électron n'a même pas de tension.
Jonathan

@JonathanS .: Voir ma réponse. Pour comprendre les détails dont parle Trevor, il faut comprendre que les champs / tensions associés à la base ne sont pas constants dans sa zone, en particulier pendant la saturation.
Dave Tweed

J'ai lu tout cela auparavant, cela n'explique toujours pas comment la tension peut être plus basse au niveau du collecteur, seulement comment les électrons traversent les régions d'appauvrissement. Bien que vous ayez brièvement échappé au tunneling.
Trevor_G

@Trevor_G La base est dopée positivement, le collecteur légèrement négatif. Puisque la base est petite par rapport à la longueur de diffusion des électrons, nous pouvons supposer une quantité égale d'électrons par zone "atterrit" dans la base et le collecteur après diffusion. Étant donné que le collecteur est déjà dopé négativement, il aura une plus grande concentration d'électrons que la base, ce qui le rendra à une tension inférieure.
Jonathan S.

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Comment diable le collecteur peut-il être une tension inférieure à la base dans ce sandwich?

Aucune loi de la physique n'empêche le collecteur d'être à une tension inférieure à la base: appliquez entre B et E, appliquez entre C et E, et vous ' ll biaisera le BJT exactement dans cet état. 0,40.7V0.4V

Par conséquent, votre vraie question est probablement: Compte tenu de ces tensions appliquées, comment se fait-il que la loi de la physique permette au courant du collecteur de circuler dans le collecteur?

Les lois de Kirchhoff appliquées au BJT impliquent seulement que et où j'ai supposé que les courants aux bornes étaient positifs en entrant dans les bornes.I C + I B + I E = 0 ,

VBEVCB+VCE=0
IC+IB+IE=0,

De plus, comme il n'y a pas de source d'énergie à l'intérieur du BJT, nous exigeons que la puissance entrant dans l'appareil soit positive (je considère un cas statique, négligeant les effets dynamiques pour éviter les subtilités de la passivité), c'est-à-dire

VBEIB+VCEIC>0.

Ce sont les seules contraintes que la physique impose aux tensions et courants aux bornes dans le cas statique. Comme vous pouvez le voir, toutes les conditions ci-dessus sont valables pour un BJT saturé.

Votre confusion vient probablement de l'hypothèse implicite d'un périphérique linéaire , ce qui n'est pas le cas d'un BJT.


Merci d'avoir copié votre réponse, j'ai supprimé le doublon avant que votre réponse ne paraisse désolée.
Trevor_G

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Il apparaît que l'origine de la confusion suppose que le courant ne peut être qu'un courant de dérive. Le courant de diffusion n'a pas à obéir au champ électrique, c'est en fait le fait qu'il peut circuler malgré un champ électrique opposé qui rend les transistors capables de ... l'action des transistors.
Sredni Vashtar

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@Trevor_G D'après vos commentaires, je soupçonne que vous pensez que le transport des électrons est entraîné uniquement par le champ électrique, c'est-à-dire le gradient du potentiel électrique. En fait, ce qui entraîne le transport d'électrons est le potentiel électrochimique , qui prend en compte l'inhomogénéité du système, en raison des concentrations de porteurs variables à travers les jonctions. C'est cette inhomogénéité qui génère le courant de diffusion.
Massimo Ortolano

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@Trevor_G, Comme l'a dit Massimo, c'est le gradient de concentration qui donne naissance à un courant de diffusion. De la même manière, un gaz peut se développer vers le haut malgré la gravité. Les électrons dans un semi-conducteur ressemblent plus à un gaz (vous pouvez les déplacer avec une pompe, mais ils peuvent également se déplacer en raison d'un gradient de concentration), tandis que dans un conducteur, ils ressemblent plus à un liquide (étant incompressibles, vous avez besoin d'une pompe pour faire ça bouge). Il me semble que vous demandez: comment puis-je faire bouger ce gaz sans qu'une pompe ne pousse dans cette direction?
Sredni Vashtar

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De plus, si vous réussissiez à éliminer ce composant de courant de diffusion, par exemple en plaçant une couche de conducteur au milieu de la base, vous condenseriez instantanément ce gaz dans un liquide qui, en étant balayé de la base, tuerait l'action du transistor. Vous vous retrouverez avec deux diodes dos à dos, et dans ce cas, votre objection sur les potentiels serait valide. Le problème est que vous ne pouvez pas atteindre les mêmes valeurs de courant et de potentiel que vous avez dans un transistor.
Sredni Vashtar

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Gardez à l'esprit que la base n'a pas la même tension dans toute sa zone. Il y a une résistance "en feuille" irréductible associée à la base, dont la connexion externe doit nécessairement être au bord de la structure dans un certain sens. Puisqu'il y a une distribution de courant dans cette "feuille", il y a aussi une distribution de tension.

Ainsi, en saturation, le courant qui circule dans la borne de base passe par les deux jonctions de diodes polarisées en direct (BE et BC), près de la borne de base. Le courant qui est allé au collecteur circule ensuite vers l'émetteur à travers une partie différente de la base qui est plus éloignée de la borne de base.

En substance, la chute de tension à travers la résistance de base inhérente est ce qui permet la distribution de tension que nous voyons aux bornes externes.


Oui, je pensais que cela pourrait être quelque chose comme ça aussi, mais j'ai réalisé que si c'était le cas, les points les plus éloignés ne seraient pas biaisés et ne conduiraient pas, donc l'idée se désagrège.
Trevor_G

Non, ça ne s'effondre pas. Il n'y a aucune raison pour que certaines régions ne puissent pas être biaisées vers l'avant alors que d'autres ne le sont pas. Arrêtez de penser en termes d'éléments de circuit regroupés - les champs varient en continu dans un transistor, en particulier pendant la saturation. Les parties qui ne sont pas biaisées vers l'avant fonctionnent de la manière "classique" décrite par Jonathan S.
Dave Tweed

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Les BJT sont des appareils actuels. Lorsque dans la région active, beaucoup d'électrons de l'émetteur (les émetteurs sont fortement dopés et plus négatifs que la base) entrent dans la base (légèrement dopé) et certains tombent dans le moins de trous de base, mais la plupart diffusent vers le collecteur, provoquant Ic . Lorsqu'il est saturé, le collecteur est également plus négatif que la base, il apporte donc quelques électrons à la base. Comme le collecteur contribue plus d'électrons à la base (Vbc est plus positif), il s'ensuit que le courant collecteur-émetteur sera plus faible. Lorsque Vbc diminue (Vce (sat) est plus élevé), le courant de saturation peut être plus élevé. Donc une fois en saturation, la tension du collecteur augmente avec le courant du collecteur.

Vous pouvez exécuter un transistor avec le collecteur et l'émetteur inversés. Étant donné que le collecteur est légèrement dopé par rapport à l'émetteur, le gain est nul, mais Vce (sat) sera en baisse dans la plage de mV unique. À l'ère pré-FET, nous avons utilisé cette approche pour mettre à la terre les entrées analogiques dans les prises d'échantillons, etc.


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Ce sont les différents porteurs et différents modes de mouvement. Parler de NPN.

Lorsque vous augmentez la tension de base, les trous commencent à se déplacer à travers la barrière de potentiel de jonction BE et vous récupérez beaucoup plus d'électrons. Les électrons se déplacent à travers la base par diffusion, passant d'une concentration élevée à une concentration faible, ils ne sont pas entraînés par la tension.

Vous vous retrouvez avec un tas d'électrons libres à la jonction BC formant une région chargée négativement et ils sont balayés par toute tension positive sur le collecteur.


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Question vraiment intéressante, allez-vous en faire une série :).
RoyC

Merci pour la description et le compliment de la question. La partie "ils sont balayés par une tension positive sur le collecteur" en fait partie ... n'en pensez pas trop. Étant une diode polarisée en inverse, les électrons qui s'accumulent du côté de la base doivent désactiver ce mode de diode, pas le réactiver. Pour l'activer, nous avons besoin de trous pour s'y accumuler .. pas d'électrons, ou, ou d'électrons pour s'accumuler du côté collecteur de la jonction. Quelque chose ne tourne pas rond.
Trevor_G

Non ce n'est pas une diode si c'était une diode vous auriez des trous qui s'y empileraient pas des électrons, c'est pourquoi avoir deux diodes en série ne fait pas un transistor.
RoyC

:) Oui, je comprends cela, mais il y a toujours, selon la théorie classique, une barrière de jonction entre la base et le collecteur. Ce qui le rend différent des diodes dos à dos, c'est qu'il n'y a qu'une seule anode ou cathode centrale très mince. Il est en effet intéressant, pas aussi clair que le modèle simple que nous acceptons.
Trevor_G

Le fait est qu'il est impossible de former une région d'appauvrissement de diode à la jonction CB en présence de masses d'électrons. Dans une diode normale, vous n'auriez que des trous du côté P de la jonction et ceux-ci seraient éloignés de la jonction par le champ. Les électrons sont tirés à travers la jonction vous donnant le courant du collecteur.
RoyC

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POTENTIELS DE JONCTION NON REDRESSEURS. Voilà l'astuce.

Tout le monde manque un fait simple et très basique. (La plupart des manuels pour débutants le manquent aussi. Même certains profs d'ingénierie semblent ignorants.) Le fait: les jonctions ont toujours une tension aux bornes, même lorsqu'elles ne sont pas alimentées, même lorsqu'elles sont en métal-silicium sans effet de diode ... et même lorsque la jonction est fer-cuivre, chromel-alumel, etc.

En d'autres termes, si nous voulons tout comprendre sur les diodes et les transistors, nous ne sommes pas autorisés à ignorer la physique des thermocouples et les JONCTIONS NON RECTIFIANTES. Si nous le faisons, alors Vce devient inexplicable, un sombre mystère de l'ingénierie.

[plus à venir]


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Idéalement, le Vbe correspond au Vcb et les deux conduisent vers l'avant avec Vce (sat) = 0 à Imax et Ic / Ib = 10.

Comme l'a souligné Dave T., la résistance à l'étalement de la base Vbe (aka série efficace R ou ESR) n'est pas uniforme, mais en réalisant plusieurs puits de base étroits en parallèle, les performances s'améliorent.

Lorsque l'ESR de la plus petite jonction BE dopée supérieure est plus élevée que l'ESR plus grande de la jonction CB, nous obtenons un Vbe supérieur à Vcb, donc Vce (sat) augmente. Le gain actuel est maintenant tombé à environ 10% du max.

  • Le processus épitaxial est généralement planaire plutôt que vertical.
  • l'implantation ionique est utilisée pour les jonctions émetteur et base.
  • RCE
  • beaucoup plus d'électrons injectés dans la base que de trous dans l'émetteur
  • la base étant très étroite, la plupart des électrons émetteurs se déplacent à travers la base et atteignent le collecteur

entrez la description de l'image ici

Zetex a inventé environ 100 brevets de processus autour de cette technologie épitaxiale et maintenant, comme Diodes Inc a de nombreux produits bien que plus chers ont des tailles de matrices similaires avec Rce dans les 10's de milliohms au lieu de boîtes TO-3 obsolètes avec Rce dans la gamme 1 Ohm. Cela réduit considérablement la dissipation thermique aux courants élevés.

ON Semi a également ses propres pièces à faible Vce (sat).

Ce SOT-23 a un volume <13 cents et a Rce = 45 mOhm max. Vce max = 12V

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Quel est le problème? La tension de base crée le champ pour que CE se conduise
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Pas de réfutation intelligente -1
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75
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