포화 BJT 트랜지스터.

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우리는 매일 그것들을 사용하며 알고있는 사람들은 BJT 트랜지스터의 기능적 특성을 완전히 이해합니다. 연산 수학을 설명하는 문서와 링크가 많이 있습니다. 물리적으로 작동하는 방식에 대한 현재의 이론을 설명하는 멋진 비디오가 많이 있습니다. (후자는 대부분 어떤 이유로 "텔레마케터 영어"를 구사하는 사람들이 제공합니다.)

그러나 40 년 이상이 지난 후에도 컬렉터 접합이 방정식에 어떻게 적용되는지에 대한 설명은 항상 약간 손으로하기 때문에 액면가에서 받아 들여야한다는 점을 인정해야합니다.

어쨌든, 그 옆에, 내가 정말로 얻지 못하는 한 가지 측면이 있습니다. Kirchhoff의 Laws et.al, 물리 법칙을 무시하는 것 같습니다.

표준 포화 공통 이미 터 회로에 대해 이야기하고 있습니다.

포화 될 때 콜렉터 전압이베이스 전압보다 낮을 것이라는 것이 알려져 있으며, 이에 동의합니다. 우리는이를 회로에서 유리하게 사용하고 특정 부하 전류에 대해 가능한 한 낮은 Vce-Sat를 제공하는 부품을 선택했습니다.

개략도

^{이 회로 시뮬레이션 – CircuitLab을 사용하여 작성된 회로도}

전형적인 NPN 트랜지스터의 전형적인 모드를 볼 때까지는 훌륭하고 멋집니다 ...

도체가 어떻게 샌드위치의베이스보다 전압을 낮출 수 있습니까?

이를 설명하기 위해 역기전력 (back-EMF) 유형 전압을 추가하더라도 콜렉터 전류는베이스 콜렉터 접합을 통해 잘못된 방식으로 진행됩니다.

transistors bjt physics

— Trevor_G
소스

전자가 Vbe를 가로 질러 가속함에 따라 전자가 건물 모멘텀으로 생각하는 데 도움이됩니까? (자전거 내리막 길에서 프리 휠링을하고 다음 (작은) 언덕 위로 올라가는 것처럼 오른쪽 하단의 좁은 선로에서 우회전을하지

— Brian Drummond

몇 단계의 추상화를 내려야 할 것 같습니다 ...

— Eugene Sh.

@BrianDrummond 나중에 그것은 EE의 기본 법칙을 우회하는 것에 대해 이야기 한 고전적인 물결 모양의 답변입니다. 어떻게 든 그들은 옴 효과없이

— 튀어 나옵니다

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네. 베이스 이미 터 전류가 있습니다. 베이스 콜렉터 전류가 있습니다. 그리고 컬렉터 이미 터 전류가 있습니다. 포화 상태가 될 때까지베이스 콜렉터 전류는 낮습니다. 포화 상태에서베이스 전류가 증가하는 이유는 (Ic가 일정하게 유지됨) 전류의 일부가 대신 컬렉터로 이동하여베이스로 바로 가기 때문입니다.

— mkeith

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콜렉터와 접지 사이에 낮은 값의 저항을 배치하고 콜렉터 를 통해 접지로 흐르는 전류의 양과 예상 경로 (접지 된 이미 터를 통한)를 측정하는 것이 흥미로울 수 있습니다 .

— Spehro Pefhany

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바이폴라 트랜지스터에서 이미 터는베이스보다 훨씬 높은 도핑을 갖습니다. 베이스 이미 터 다이오드에 순방향 바이어스를 적용하면 전류가 흐르고 이미 터의 도핑이 높기 때문에베이스에서 이미 터로 구멍이 흐르는 것보다 더 많은 전자가 이미 터에서베이스로 흐릅니다.

반도체의 전류는 두 가지 주요 메커니즘을 통해 흐를 수 있습니다. 전기장이 특정 방향으로 전자를 가속시키는 "드리프트"전류가 있습니다. 이것이 우리 모두에게 익숙한 간단한 전류 흐름입니다. "확산"전류도 있습니다. 전자는 전자가 높은 전자 농도의 영역에서 물이 스펀지에 스며드는 것처럼 낮은 농도의 영역으로 이동합니다. 그러나 확산 전자는 어떤 시점에서 구멍을 뚫고 재결합하기 때문에 영원히 움직일 수 없습니다. 즉, 반도체에서 (전자) 확산 전자는 반감기와 소위 확산 길이를 가지며, 이는 홀과 재결합하기 전에 이동하는 평균 거리입니다.

확산은 다이오드 접합이 공핍 영역을 생성하는 메커니즘입니다.

이제베이스 이미 터 다이오드가 순방향 바이어스되면베이스 이미 터 다이오드의 공핍 영역이 작아지고 전자가이 접합부에서베이스로 확산되기 시작합니다. 그러나, 트랜지스터는 전자의 확산 길이가베이스의 폭보다 길도록 설계 되었기 때문에, 많은 전자는 실제로 재결합하지 않고베이스를 통해 바로 확산되어 콜렉터에서 나오게되어 효과적으로 "터널링"할 수 있습니다. 구멍과 상호 작용하지 않고 바닥을 통해. (재조합은 임의의 과정이며 즉시 발생하지 않기 때문에 처음에는 확산이 존재합니다.)

결국 일부 전자는 임의의 움직임에 의해 수집기에서 끝납니다. 그것들이 거기에 있기 때문에, 전자는 그들이베이스-컬렉터 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 극복 할 때만베이스로 되돌아 올 수 있으며, 그것들이 컬렉터에서 "파일을 쌓아 올려"전압을 감소시킬 수 있습니다. 베이스-컬렉터 접합 및 역류. (실제로이 과정은 물론 균형입니다.)

베이스, 이미 터 및 컬렉터에 적용되는 전압을 사용하면 공핍 영역을 향한 전자의 드리프트를 일으키는 반도체의 전기장 만 생성하여 크리스털의 전자 농도를 변경하여 확산 전류가 베이스. 단일 전자는 트랜지스터의 단자에서 전압에 의해 생성 된 전기장에 의해 영향을 받지만, 그들 자체에는 전압이없고 에너지 레벨 만 있습니다. 일반적으로 동일한 전압에있는 결정의 일부 내에서 전자는 다른 에너지를 가질 수 있습니다. 실제로 두 전자가 동일한 에너지 수준을 가질 수는 없습니다.

이것은 왜 트랜지스터가 반대로 작동 할 수 있는지 설명하지만 훨씬 적은 전류 게인으로 설명합니다. 이는 비가역 트랜지스터보다 전자에 대해이 경로를 덜 선호하게하므로 더 많은 전자가베이스에서 바로 흐르고 이득은 더 낮아진다.

— 조나단 S.
소스

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Jonathon, 그것은 모두 매우 훌륭하고 고전적이지만, 위의 것보다 높은 전압을 갖는 중간에 층을 가질 수있는 방법을 설명하지 않습니다.

— Trevor_G

@Trevor_G 반도체에는 실제로 "전압"이 없습니다. 전기장이 있지만, 단일 전자는 결정의 같은 영역에 있더라도 많은 다른 에너지 레벨을 가질 수 있습니다. 그렇지 않은 경우, 밴드 갭이 없으므로 반도체가없는 것입니다. 전자는 전압이 없습니다.

— Jonathan S.

@JonathanS .: 내 답변을 참조하십시오. Trevor가 이야기하고있는 세부 사항을 이해하려면베이스와 관련된 필드 / 전압이 특히 포화 동안 영역 전체에서 일정하지 않다는 것을 이해해야합니다.

— Dave Tweed

나는이 모든 것을 전에 읽었으며, 여전히 컬렉터에서 전압이 어떻게 낮아질 수 있는지 설명하지 않고, 전자가 공핍 영역을 통해 어떻게 만드는지 설명하지 않습니다. 터널링을 잠시 피하기는했지만.

— Trevor_G

@Trevor_G베이스는 포지티브로 도핑되어 있으며 컬렉터는 약간 마이너스입니다. 베이스는 전자의 확산 길이에 비해 작기 때문에, 확산 후베이스 및 컬렉터에서 "랜드" 영역 당 동일한 양의 전자를 가정 할 수 있습니다 . 콜렉터는 이미 네거티브로 도핑되어 있기 때문에베이스보다 전자의 농도가 더 높아서 더 낮은 전압이됩니다.

— Jonathan S.

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도체가 어떻게 샌드위치의베이스보다 전압을 낮출 수 있습니까?

콜렉터가베이스보다 낮은 전압을 유지하는 것을 막는 물리 법칙은 없습니다 : 적용하십시오 $0.7\,\mathrm{V}$ $0.4\,\mathrm{V}$

그러므로 당신의 실제 질문은 아마도 : 인가 된 전압을 고려할 때 물리 법칙에 의해 컬렉터 전류가 컬렉터로 흐를 수있게하는 방법은 무엇입니까?

- V_{비 이자형} - V_{씨 비} + V_{씨 이자형} = 0

$-V_\mathrm{BE}-V_\mathrm{CB}+V_\mathrm{CE}=0$

{나는}_{씨} + {나는}_{비} + {나는}_{이자형} = 0,

$I_\mathrm{C}+I_\mathrm{B}+I_\mathrm{E}=0,$

V_{비 이자형} {나는}_{비} + V_{씨 이자형} {나는}_{씨} > 0.

$V_\mathrm{BE}I_\mathrm{B}+V_\mathrm{CE}I_\mathrm{C}>0.$

이것들은 물리학이 정적 인 경우에 터미널 전압과 전류에 가하는 유일한 제약입니다. 보다시피, 위의 모든 조건은 포화 된 BJT를 유지합니다.

혼동은 아마도 BJT가 아닌 선형 장치 를 암시 적으로 가정했을 때 발생합니다 .

— 마시모 오르 톨 라노
소스

답변을 복사 해 주셔서 감사합니다. 답변이 죄송합니다.

— Trevor_G

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혼란의 근원은 전류가 드리프트 전류 일 수 있다고 가정하는 것 같습니다. 확산 전류는 전기장을 따를 필요가 없습니다. 실제로 트랜지스터가 트랜지스터 동작을 가능하게하는 반대 전기장 에도 불구하고 흐를 수 있다는 사실입니다 .

— Sredni Vashtar

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@Trevor_G 귀하의 의견에 따르면, 전자의 수송은 전계에 의해서만, 즉 전위의 기울기에 의해 구동된다고 생각합니다. 실제로, 전자 수송을 유도하는 것은 전기 화학적 전위 인데, 이는 접합부에서 다양한 캐리어 농도로 인해 시스템의 비균질성을 고려한다. 확산 전류를 생성하는 것은이 비균질성입니다.

— Massimo Ortolano

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Massimo가 말했듯이 @Trevor_G는 확산 전류를 발생시키는 농도의 기울기입니다. 같은 방식으로 중력 에도 불구하고 가스가 위로 팽창 할 수 있습니다 . 반도체의 전자는 가스와 비슷합니다 (펌프로 이동할 수는 있지만 농도 구배로 인해 움직일 수도 있습니다). 도체에서는 액체와 비슷합니다 (압축 할 수 없으므로 펌프가 필요합니다) 움직입니다). 당신이 묻고있는 것처럼 보입니다 : 펌프가 그 방향으로 움직이지 않고 어떻게이 가스를 움직일 수 있습니까?

— Sredni Vashtar

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또한, 예를 들어베이스 중간에 도체 층을 배치하여 확산 전류 구성 요소를 제거했다면 액체에서 해당 가스를 즉시 '응축'하여베이스에서 스윕하면 죽일 수 있습니다. 트랜지스터 동작. 결국 두 개의 다이오드가 연속적으로 연결될 것이며,이 경우 전위에 대한 이의 제기가 유효 할 것입니다. 문제는 트랜지스터에서와 동일한 전류 및 전위 값에 도달 할 수 없다는 것입니다.

— Sredni Vashtar

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베이스는 전체 영역에서 동일한 전압을 갖지 않습니다. 베이스와 관련된 돌이킬 수없는 "시트"저항이 있으며, 외부 연결은 반드시 어떤 의미에서 구조물의 가장자리에 있어야합니다. 이 "시트"내에 전류 분배가 있기 때문에 전압 분배도 있습니다.

따라서 포화 상태에서베이스 단자로 흐르는 전류는베이스 단자 근처의 순방향 바이어스 다이오드 접합 (BE 및 BC)을 통과합니다. 콜렉터로 전달 된 전류는베이스 터미널에서 멀리 떨어진베이스의 다른 부분을 통해 이미 터로 흐릅니다.

본질적으로, 고유의 기본 저항에 걸친 전압 강하는 외부 단자에서 볼 수있는 전압 분포를 허용합니다.

— 데이브 트위드
소스

그래도 나도 그렇게 될 수 있지만, 그 경우 더 먼 지점이 앞으로 치우 치지 않고 전도되지 않을 것이라는 생각이 들었습니다.

— Trevor_G

아니, 그것은 떨어지지 않습니다. 어떤 지역은 앞으로 편향 될 수없고 다른 지역은 그렇지 않을 이유가 없습니다. 집중 회로 요소의 관점에서 생각을 멈추십시오. 전계는 특히 포화 상태에서 트랜지스터 내에서 연속적으로 변합니다. 순방향 바이어스되지 않은 부분은 Jonathan S.가 설명한 "클래식"방식으로 작동합니다.

— Dave Tweed

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BJT는 현재 장치입니다. 활성 영역에서 많은 양의 이미 터 (이미 터가베이스보다 더 많이 도핑되고 더 음이 됨) 전자가베이스로 들어가고 (약하게 도핑 됨) 일부는 더 적은베이스 홀로 떨어지지 만 대부분 컬렉터로 확산되어 Ic . 포화 될 때, 컬렉터는 또한베이스보다 더 음이므로, 일부 전자는베이스에 기여한다. 컬렉터가베이스에 더 많은 전자를 제공함에 따라 (Vbc가 더 양의) 컬렉터-이미 터 전류는 더 낮아질 것이다. Vbc가 작아 질수록 (Vce (sat)이 높을수록) 포화 전류가 더 높아질 수 있습니다. 따라서 일단 포화 상태에서는 컬렉터 전압이 컬렉터 전류와 함께 올라갑니다.

콜렉터와 이미 터를 반대로하여 트랜지스터를 실행할 수 있습니다. 콜렉터는 이미 터에 비해 가볍게 도핑되므로 이득이 크지 만 Vce (sat)는 단일 mV 범위에서 낮아집니다. 프리 FET 시대에 우리는이 접근법을 사용하여 샘플 및 홀드 등에서 아날로그 입력을 접지했습니다.

— 존 버크 헤드
소스

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캐리어와 이동 모드가 다릅니다. NPN에 대해 이야기합니다.

기본 전압을 높이면 구멍이 BE 접합 전위 장벽을 가로 질러 이동하기 시작하고 더 많은 전자를 다시 얻습니다. 전자는 확산에 의해베이스를 가로 질러 이동하며, 높은 농도에서 낮은 농도로 이동하면 전압에 의해 구동되지 않습니다.

BC 접점에서 음전하 영역을 형성하는 자유 전자 다발로 끝나고 수집기의 양의 전압에 의해 스윕됩니다.

— RoyC
소스

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정말 흥미로운 질문입니다.이 시리즈를 시리즈로 만들 것입니까?

— RoyC

설명과 질문 칭찬에 감사드립니다. "콜렉터의 포지티브 전압에 의해 스윕 된"부분은 그 중 하나입니다. 너무 많은 부분은 생각하지 마십시오. 역 바이어스 다이오드이기 때문에베이스 측에 쌓인 전자는 다이오드 모드를 끄고 끄지 않아야합니다. 그것을 켜려면 전자가 아닌 곳에 쌓이거나, 또는 전자가 접합부의 컬렉터쪽에 쌓이는 구멍이 필요합니다. 무언가가 합쳐지지 않습니다.

— Trevor_G

아니요 전자가 아니라 홀을 쌓을 다이오드가 다이오드 인 경우 다이오드가 아닙니다. 따라서 두 개의 다이오드를 직렬로 연결하면 트랜지스터가 만들어지지 않습니다.

— RoyC

:) Ya 이해하지만 고전 이론에 따르면 기본과 수집기 사이의 접합 장벽이 여전히 있습니다. 백투백 다이오드와 다른 점은 하나의 매우 얇은 중앙 양극 또는 음극 만 있다는 것입니다. 우리가 받아들이는 간단한 모델만큼 명확하지는 않지만 실제로 흥미 롭습니다.

— Trevor_G

요점은 전자 덩어리가 존재할 때 CB 접합에 다이오드 공핍 영역을 형성하는 것이 불가능하다는 것입니다. 일반 다이오드에서는 접점의 P쪽에 만 구멍이 있으며 필드에서 접점에서 빼냅니다. 전자는 접합부를 가로 질러 당겨 집 전체 전류를 제공합니다.

— RoyC

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부정확 한 판단 가능성. 그게 속임수입니다.

누구나 간단하고 매우 기본적인 사실이 누락되었습니다. (대부분의 초보 교과서에서도이 점을 놓칠 수 있습니다. 일부 엔지니어링 전문가조차도 실마리가없는 것 같습니다.) 사실 : 접합부에는 전원이 공급되지 않을 때, 다이오드 효과가없는 금속-실리콘 및 접합부가있는 경우에도 항상 접합부가 전압을 갖습니다. 철 구리, 크롬 알루멜 등

다시 말해, 다이오드와 트랜지스터에 관한 모든 것을 이해하고 싶다면 열전대 물리학 및 비 정류 점을 무시할 수 없습니다. 우리가 그렇게한다면, Vce는 설명 할 수없는 기술의 어두운 미스터리가됩니다.

[올 더]

— 비틀 거리는
소스

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이상적으로 Vbe는 Vcb와 일치하며 둘 다 Imax에서 Vce (sat) = 0이고 Ic / Ib = 10 인 정방향 전도입니다.

Dave T.가 지적했듯이 Vbe베이스 확산 저항 (일명 유효 시리즈 R 또는 ESR)은 균일하지 않지만 여러 개의 좁은베이스 웰을 병렬로 만들어 성능을 향상시킵니다.

더 높은 도핑 된 BE 접합의 ESR이 CB 접합의 더 큰 ESR보다 높을 때 Vcb보다 높은 Vbe를 얻으므로 Vce (sat)가 상승합니다. 현재의 이득은 이제 최대의 약 10 %로 떨어졌습니다.

에피 택셜 프로세스는 일반적으로 수직보다 평평합니다.
이온 주입은 이미 터 및베이스 접합에 사용됩니다.
$R_{CE}$
이미 터에 구멍보다 구멍에 더 많은 전자가 포함되어 있음
베이스는 매우 좁게 만들어 지므로 대부분의 이미 터 전자는베이스를 통해 이동하여 컬렉터에 도달합니다.

Zetex는이 에피 택셜 기술을 중심으로 약 100 개의 공정 특허를 발명했으며 현재 Diodes Inc는 많은 제품을 보유하고 있지만 더 비싸지 만 10 Ohms의 Rce와 비슷한 다이 크기를 가지고 있지만, 1 Ohm 범위의 Rce와 함께 사용되지 않는 TO-3 캔을 사용하지 않습니다. 이것은 고전류에서 열 방출을 크게 줄입니다.

ON Semi에는 자체 Vce (토) 부분이 낮습니다.

이 SOT-23의 부피는 <13 센트이며 Rce = 45mOhm max입니다. Vce 최대 = 12V

— 토니 스튜어트 Sunnyskyguy EE75
소스

무엇이 문제입니까? 기본 전압은 행동에 CE의 필드를 만듭니다

— 토니 스튜어트 Sunnyskyguy EE75

지능형 반박 없음 -1

— Tony Stewart Sunnyskyguy EE75