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

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.

^{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 ...

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.

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.

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.$0.7\,\mathrm{V}$$0.4\,\mathrm{V}$

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

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

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.

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.

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.

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.

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]

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.
• $R_{CE}$
• 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

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