Hoạt động cơ bản của một bóng bán dẫn lưỡng cực

Tôi đã rất cố gắng để hiểu nguyên lý hoạt động cơ bản của một bóng bán dẫn. Tôi đã tham khảo nhiều cuốn sách và đã đến các diễn đàn nhưng chưa bao giờ có câu trả lời thuyết phục.

Dưới đây là những điều tôi muốn hiểu:

Một bóng bán dẫn tương tự như một diode phân cực ngược trừ khi điện áp được đặt vào Base. Vì đường giao nhau của Emitter-Base bị phân cực thuận, sẽ có sự dẫn của - nói - electron (npn). Điều gì xảy ra sau đó? Có đúng là các electron từ Base phá vỡ rào cản của tiếp giáp Collector-Base và sau đó dòng điện kết hợp truyền đến Emitter không? (IB + IC = IE)

Và tại sao chúng ta đang nhận được nhiều hơn hiện tại? Khuếch đại ở đâu? Nó không thể giống như tạo ra một cái gì đó từ không có gì. Tôi biết tôi đang thiếu một số điểm quan trọng ở đây. Ai đó có thể giải thích cho tôi rõ ràng bằng những thuật ngữ đơn giản?

Đã một tuần tôi cố gắng để hiểu điều này. :

Khi các electron chạy qua một điểm nối diode phân cực thuận, chẳng hạn như điểm tiếp xúc cơ sở của bóng bán dẫn, thực sự phải mất một khoảng thời gian khác không để chúng kết hợp lại với các lỗ ở phía P và được trung hòa.

Trong một bóng bán dẫn NPN, vùng cơ sở loại P được xây dựng sao cho hẹp đến mức hầu hết các điện tử thực sự đi qua tất cả các đường đi qua nó trước khi sự tái hợp này xảy ra. Một khi chúng đạt đến vùng cạn kiệt của đường giao nhau của bộ thu thập gốc phân cực ngược, có điện trường mạnh trên nó, chúng sẽ nhanh chóng bị cuốn khỏi khu vực cơ sở, tạo ra dòng thu.

Tổng dòng điện qua đường giao nhau của bộ phát cơ sở được điều khiển bởi điện áp bộ phát gốc, độc lập với điện áp của bộ thu. Điều này được mô tả bởi phương trình Ebers-Moll nổi tiếng . Nếu bộ thu là mạch hở, tất cả dòng điện này sẽ chảy ra kết nối cơ sở. Nhưng miễn là có ít nhất một sai lệch dương nhỏ trên đường giao nhau của cơ sở thu, phần lớn dòng điện được chuyển hướng đến bộ thu và chỉ còn lại một phần nhỏ chảy ra khỏi cơ sở.

Trong một bóng bán dẫn có mức tăng cao, ít hơn 1% số electron thực sự kết hợp lại ở vùng cơ sở, nơi chúng vẫn là dòng phát cơ sở, có nghĩa là dòng thu có thể là dòng điện cơ sở 100 × hoặc nhiều hơn. Quá trình này được tối ưu hóa thông qua kiểm soát cẩn thận cả hình học của ba vùng và mức độ pha tạp cụ thể được sử dụng trong mỗi vùng.

Chừng nào bóng bán dẫn bị lệch trong chế độ hoạt động này, một sự thay đổi nhỏ trong điện áp phát cực gốc (và một thay đổi nhỏ tương ứng trong dòng phát cực gốc) gây ra sự thay đổi lớn hơn nhiều trong dòng cực phát-cực phát. Tùy thuộc vào trở kháng bên ngoài được kết nối với bộ thu, điều này cũng có thể gây ra một sự thay đổi lớn trong điện áp của bộ thu. Mạch tổng thể thể hiện mức tăng công suất vì công suất đầu ra (V _C × I _C ) lớn hơn nhiều so với công suất đầu vào (ΔV _B × I _B ). Tùy thuộc vào cấu hình mạch cụ thể, mức tăng công suất này có thể được nhận ra là mức tăng điện áp, mức tăng dòng điện hoặc kết hợp cả hai.

Về cơ bản điều tương tự cũng xảy ra trong một bóng bán dẫn PNP, nhưng bây giờ bạn phải nghĩ về các lỗ trống (sự vắng mặt của một điện tử) như là vật mang điện tích dương trôi dạt khắp cơ sở loại N đến bộ thu.

Đọc và đọc lại câu trả lời tuyệt vời của Dave.

Sau đó, tinh thần đảo ngược những gì đang xảy ra ...

Bạn có một đường nối cực phát cơ sở phân cực thuận và mạch ngoài được kết nối với đế cần một Ib hiện tại, được cung cấp từ các điện tử có nguồn gốc từ bộ phát.

Nhưng khi một electron đi vào vùng cơ sở, nó gặp phải một điện trường mạnh kéo nó về phía bộ thu (dương). Phần lớn (một tỷ lệ lớn và được xác định khá rõ) của các electron này bị mất (từ dòng cơ sở) và nổi lên như dòng thu, vì những lý do được giải thích rất rõ trong câu trả lời của Dave. Vì vậy, thay vì một bộ khuếch đại hiệu quả, bạn cũng có thể xem bóng bán dẫn như một nhà cung cấp dòng điện cơ sở vô vọng không hiệu quả!

Từ quan điểm này, mạch cơ sở yêu cầu Ib và bộ phát cung cấp nó. Nhưng là sản phẩm phụ, dòng điện lớn hơn nhiều (Ic = 100Ib) bị "mất" đối với bộ thu. Đó là tất nhiên những gì chúng ta thực sự muốn.

EDIT re: bình luận: Cuối cùng (hầu hết, nói 99%) các electron từ bộ phát đi vào vùng collector.

Cuối cùng, dòng thu phải nhỏ hơn một chút so với dòng phát.

Quyền cho cả hai.

Mục đích là gì?

1) Một dòng cơ sở rất nhỏ điều khiển một dòng thu lớn và dòng phát là tổng của hai dòng này.

2) Tỷ lệ Ic / Ib (hFE hoặc mức tăng hiện tại) xấp xỉ độc lập với điện áp collector Vce (cho đến khi Vce ở mức thấp, giả sử <1V). Điều này có nghĩa là đối với lựa chọn trở kháng phù hợp trong mạch collector, một thay đổi nhỏ trong Ib có thể dẫn đến thay đổi lớn trong Ic và thay đổi lớn ở Vce; đây là nơi tăng điện áp đến từ.

Vì vậy, bộ khuếch đại "bộ phát chung" thông thường có tải trong mạch thu và có cả mức tăng dòng cao và mức tăng điện áp cao.

Đây là cách tôi nhìn thấy nó, tôi hy vọng nó bổ sung một cái gì đó hữu ích cho cuộc thảo luận:

LỰA CHỌN, DIODES VÀ TRANSISTORS

ĐIỆN TỬ VÀ HOLES

Chúng ta hãy nghĩ về một hàng đồng xu được đặt thành một hàng, chạm vào nhau, trên một cái bàn. Di chuyển đầu bên phải của đồng xu một chiều rộng sang bên phải, để lại một khoảng trống. Sau đó tiếp tục di chuyển đồng xu sang bên trái của khoảng trống vào không gian. Khi bạn tiến hành, tất cả các đồng xu đã di chuyển sang phải và khoảng cách đã di chuyển qua bàn bên trái. Bây giờ hãy hình dung các đồng xu là các electron và bạn có thể thấy các electron di chuyển một chiều trên một chất bán dẫn làm cho các lỗ di chuyển theo chiều ngược lại.

Để kéo dài sự tương tự, chúng ta có thể sử dụng một đống đồng xu nhỏ, vì vậy rất nhiều phải di chuyển sang phải trước khi một lỗ di chuyển sang trái. Hoặc chúng ta có thể có một vài đồng xu và rất nhiều không gian để các lỗ dễ dàng di chuyển khi các đồng xu thưa thớt được di chuyển qua các khoảng trống rộng. Hai trường hợp này mô hình hai dạng Silicon pha tạp, rất nhiều electron được thêm vào và chúng ta có loại N, rất nhiều lỗ trống (loại bỏ electron) và chúng ta có loại P. Các loại được thực hiện bằng cách trộn (pha tạp) Silicon với một lượng nhỏ kim loại khác.

Với các electron phải vật lộn qua các nguyên tử của chất bán dẫn, điện trở suất của nó tương đối cao. Các chất bán dẫn ban đầu đã sử dụng Germanium, nhưng, ngoại trừ các trường hợp đặc biệt, ngày nay Silicon là lựa chọn phổ biến.

Dây đồng có thể được hình dung là có những đống điện tử lớn, tất cả đều gần nhau, vì vậy một dòng điện là sự di chuyển của vài đồng xu ở đỉnh cọc, không có lỗ nào được tạo ra. Với rất nhiều có sẵn cho hiện tại, điện trở suất, như chúng ta biết, là thấp.

BỆNH

Các diode bán dẫn phổ biến nhất (có các loại chuyên dụng khác) có một điểm nối giữa loại N và loại P. Nếu một điện áp được đặt vào diode, dương ở đầu loại N và âm với đầu kia, các electron đều được kéo về đầu dương, để lại lỗ trống ở đầu âm. Với hầu như không có điện tử ở giữa, hầu như không có dòng điện nào có thể chảy. Các diode được "đảo ngược"

Khi điện áp được sử dụng theo cách khác, âm ở đầu loại N và dương với loại P, các electron bị hút vào giữa và có thể vượt qua để loại bỏ các lỗ trong loại P và chảy ra ngoài dây kết nối. Mặt khác, điện áp âm, đầu cuối, các electron bị đẩy vào giữa của diode, được thay thế bằng những dòng điện tràn vào từ dây, do đó, tổng thể một dòng điện có thể chảy dễ dàng: diode được chuyển tiếp.

Các kết nối đến một diode được gọi là "Anode" là đầu cực dương khi diode được chuyển tiếp sinh học và "Cathode" là đầu cực âm. Tôi nhớ những điều này bằng cách tương tự với các thuật ngữ tương tự cho các van, cần một điện áp dương cao (HT cho "Căng thẳng cao" - giữ cho ngón tay của bạn tắt) ở cực dương để dòng điện chạy qua. Một khả năng ghi nhớ tốt cho sự phân cực của một diode biassed phía trước có thể là PPNN: "Tích cực, loại P, loại N, tiêu cực".

Một diode varactor khai thác thực tế là hai vùng điện tích tách biệt, dương và âm, tạo ra một tụ điện thô. Vì vậy, điốt được thiết kế đặc biệt được thực hiện để khai thác điều này, khi đảo ngược biassed. Điện áp ứng dụng kéo các điện tích ra xa nhau, tạo thành một "lớp cạn kiệt" giữa các tiếp điểm. Việc tăng điện áp ngược được áp dụng làm cho lớp này dày hơn, do đó làm giảm công suất và ngược lại. Điốt Varactor thường được sử dụng trong các mạch điều chỉnh để thay đổi tần số, thay thế các tụ điện được sử dụng trong thời của van.

BIPOLAR TRANSISTORS

Một bóng bán dẫn lưỡng cực là một trong đó hoạt động phụ thuộc vào cả electron và lỗ trống. Nó bao gồm hai điốt trở lại chia sẻ một lớp trung tâm chung. Một trong các thiết bị đầu cuối bên ngoài là Collector C và cái còn lại là Emitter E. Kết nối trung tâm là Base B, và nó là một phần của cả hai điốt CB và BE. Vì vậy, chúng tôi có một bánh sandwich ba lớp. Trong sử dụng bình thường, diode giữa C và B được đảo ngược, do đó, không có sự hiện diện của diode BE và hiệu ứng của nó, sẽ không có dòng điện chạy qua, bởi vì tất cả các electron được kéo lên đến một đầu của phần CB và các lỗ để đầu kia, như trong một diode, bởi điện áp được áp dụng.

Diode BE được chuyển tiếp sinh học, do đó một dòng điện có thể chạy và mạch ngoài được thiết lập để giới hạn giá trị này ở một giá trị khá nhỏ, nhưng vẫn còn rất nhiều lỗ trống và electron chạy qua Base và Emitter.

Bây giờ là một chút thông minh. Kết nối chung của điốt CB và BE tại Cơ sở được tạo ra rất mỏng, do đó, lũ điện tử và lỗ trống trong phần BE thay thế cho điện áp Collector ngược đã bị mất, và một dòng điện bây giờ có thể chảy qua diode CB này trong hướng ngược lại, và sau đó thông qua đường giao nhau BE được chuyển tiếp tới Emitter và đi ra mạch ngoài.

Tôi nghĩ rõ ràng là bạn không thể tạo ra một bóng bán dẫn bằng cách hàn hai điốt trở lại, hành động đòi hỏi sự chia sẻ mật thiết của lớp mỏng bên trong Silicon.

Dòng Collector phụ thuộc vào việc có dòng Cơ sở chảy và bóng bán dẫn được thiết kế sao cho dòng điện nhỏ trong diode BE mở đường cho dòng điện lớn hơn nhiều trong tiếp giáp CB. Vì vậy, chúng tôi có khuếch đại hiện tại. Sử dụng điện áp rơi trên các điện trở bên ngoài, điều này có thể được chuyển đổi thành khuếch đại điện áp.

Những bóng bán dẫn này được gọi là "lưỡng cực" bởi vì chúng thực sự có hai điểm nối.

Tôi đã cẩn thận tránh đề cập đến loại vật liệu trong điốt CB và BE, các ý tưởng là giống nhau cho cả hai và chúng ta có thể có NPN hoặc PNP là các lớp có thể. Mũi tên, trên bộ phát, trong ký hiệu, cho thấy hướng của dòng Collector thông thường (ngược lại với dòng điện tử), chỉ theo hướng của phía âm của điện áp CE được áp dụng, do đó dòng điện "ra khỏi P hoặc vào N tại bộ phát ".

LELDNH VỰC HIỆU QUẢ, hoặc FET

Có rất nhiều thiết kế khác nhau của FET, và đây là một cái nhìn rất đơn giản về nguyên tắc cơ bản của chúng.

Đây là các bóng bán dẫn "đơn cực", mặc dù thuật ngữ này không thường được sử dụng, bởi vì hoạt động của chúng chỉ phụ thuộc vào điện tử và điện trường, không phải lỗ.

Ở đây chúng ta có một khối silicon pha tạp duy nhất, "kênh", với các cục ở loại đối diện ở hai bên, hoặc như một vòng bao quanh. Vì vậy, chúng ta chỉ có một điểm nối diode, được gọi là Cổng G, giữa các cục hoặc vòng và kênh. Kênh hoạt động như một điện trở, với dòng điện chạy qua từ một đầu, nguồn S, đến đầu kia của cống D. Ngã ba giữa cổng và kênh được đảo ngược, do đó không có dòng điện, nhưng có một điện trường được thiết lập kéo các điện tích, electron hoặc lỗ trống sang các cạnh của kênh, để lại ít khả dụng hơn cho dòng điện SD. Do đó, chúng ta có dòng điện SD được điều khiển bởi điện áp trên cổng.

Lưu ý đây là thiết bị được điều khiển bằng điện áp, hầu như không có dòng điện chạy vào hoặc ra khỏi Cổng. Hãy nghĩ về định luật Ohm: Kháng = Volts / Amps và chúng ta thấy rằng dòng điện rất thấp có nghĩa là Điện trở rất cao, do đó FET được cho là có trở kháng đầu vào rất cao - lợi thế chính của nó so với Bi-Polar, ở đó, bởi Ngược lại, cần ít điện áp để gửi dòng điện qua đế, khiến cho trở kháng đầu vào thấp