Pourquoi deux diodes connectées en série ne peuvent-elles pas fonctionner comme un BJT?

Une autre forme de question est la suivante: la jonction de deux diodes avec des fils (pn-np) produira-t-elle un transistor équivalent?

J'ai lu qu'ils ne sont pas équivalents, mais pourquoi?

Beaucoup de gens pensent que la réponse à cette question est liée à la largeur de la région de base des transistors BJT - elle est incorrecte. La réponse a été assez longue. Vous pouvez lire à partir de la section "Question épineuse" si vous voulez la ligne du bas.

Je crois que vous avez été amené à poser cette question à cause de quelque chose comme cette image:

C'est une pratique standard d'enseigner les bases du BJT, mais cela peut confondre une personne qui n'est pas familière avec la théorie des semi-conducteurs dans les détails.

Afin de répondre à votre question à un niveau acceptable, je dois supposer que vous connaissez les principes de fonctionnement de la diode PN. Cette référence contient une discussion détaillée des jonctions PN.

La réponse concerne le transistor NPN, mais elle s'applique également aux transistors PNP après un changement de polarités approprié.

NPN en mode de fonctionnement avant-actif:

Le mode de fonctionnement le plus "utile" du transistor BJT est appelé "actif en aval":

NPN est en mode actif vers l'avant lorsque:

• La jonction base-émetteur est polarisée en direct (généralement à )$V_{BE}\approx 0.6V$
• La jonction base-collecteur est polarisée en inverse ( )$V_{CB}>0$

Du fait que la jonction base-émetteur est polarisée en direct, il y a une injection d'électrons de l'émetteur à la base ( dans l'image ci-dessus) et l'injection simultanée de trous de la base à l'émetteur ( dans l'image ci-dessus). La région d'émetteur ( ) est beaucoup plus fortement dopée que la région de base ( ). Par conséquent, le courant dû aux électrons injectés dans Base est beaucoup plus élevé que le courant dû aux trous injectés dans Emitter. I B 1 = I E p n + +$I_{E_n}$$I_{B1}=I_{E_p}$$n^{++}$$p$

Notez que les trous injectés dans l'émetteur sont alimentés par l'électrode de base (courant de base), tandis que les électrons injectés dans la base sont alimentés par l'électrode d'émetteur (courant d'émetteur). Le rapport entre ces courants est ce qui fait de BJT un dispositif d’amplification de courant - un faible courant au terminal de base peut entraîner un courant beaucoup plus élevé au terminal d’émetteur. L'amplification de courant conventionnelle est définie comme le rapport de courant du collecteur à la base, mais c'est le rapport entre les courants ci-dessus qui permet toute amplification de courant.

En raison de l’injection d’énormes quantités d’électrons provenant de l’émetteur, les électrons ont tendance à se diffuser à travers la jonction polarisée en inverse Base-Collecteur. Une fois qu'un électron y atteint, il est balayé à travers la région d'appauvrissement du collecteur-base et est injecté dans le collecteur, contribuant ainsi au courant du collecteur ( dans l'image ci-dessus).$I_C$

Maintenant, si tous ces électrons injectés par Emitter pouvaient diffuser vers la jonction Base-Collector polarisée en inverse sans être soumis à d'autres effets - la largeur de la région de Base n'avait aucune importance. Cependant, une recombinaison est en cours dans la base.

Dans le processus de recombinaison, les électrons injectés rencontrent des trous et se "neutralisent". L'électron injecté est "perdu" dans ce processus et ne contribuera pas au courant au terminal collecteur. Mais attendez, la conservation de charge nécessite que le trou qui s'est recombiné avec l'électron injecté sera alimenté quelque part, non? Il s'avère que les trous de recombinaison sont également alimentés par la borne de base ( dans l'image ci-dessus), ce qui augmente le courant de la base et diminue le rapport courants émetteur à base (représentant le gain de courant du transistor, vous souvenez-vous?).$I_{B2}$

Ce qui précède signifie que plus le nombre d'électrons recombinés lors de la diffusion à travers la région de base est faible, plus le gain en courant du transistor est faible. Il appartient au fabricant de minimiser la recombinaison afin de fournir un transistor fonctionnel.

De nombreux facteurs affectent les taux de recombinaison, mais l'un des plus importants est la largeur de Base. Il est évident que plus la base est large, plus il faudra de temps à l'électron injecté pour se diffuser à travers la base, plus il y a de chance qu'il rencontre un trou et se recombine. Les fabricants ont tendance à fabriquer des BJT avec des bases très courtes.

Alors, pourquoi deux diodes PN consécutives ne peuvent-elles pas fonctionner comme un seul NPN:

La discussion ci-dessus a expliqué pourquoi la base doit être courte. Les diodes PN (généralement) n’ont pas cette région courte, donc le taux de recombinaison sera très élevé et le gain actuel sera d’environ un. Qu'est-ce que ça veut dire? Cela signifie que le courant sur le terminal "Emitter" sera égal au courant sur le terminal "Base" et que le courant sur "Collector" sera égal à zéro:

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

Les diodes fonctionnent comme des appareils autonomes, pas un seul BJT!

Question piège:

À des degrés divers de précision, beaucoup de gens peuvent répondre à votre question initiale comme je l’ai fait. Cependant, la question la plus intéressante est la suivante: si nous donnons aux côtés des deux diodes une longueur très courte, de sorte que la somme de leurs largeurs ne soit pas plus large que la région de base du transistor NPN, les diodes fonctionneront-elles comme un transistor?$p$

Il est plus difficile de répondre à cette question parce que la réponse directe de "non, la base de BJT est très courte" n'est plus applicable.

Il s’avère que cette approche ne permettra pas à deux diodes de se comporter de manière similaire à un seul transistor NPN. La raison en est qu'au contact de la diode avec le métal, où le métal et le semi-conducteur sont en contact, tous les électrons en excès "se recombinent" avec les "trous" fournis par le contact. Ce n'est pas la recombinaison habituelle car les métaux n'ont pas de trous, mais la distinction fine n'est pas si importante - une fois que les électrons ont pénétré dans le métal, aucune fonctionnalité de transistor ne peut être obtenue.

Une autre façon de comprendre le point ci-dessus consiste à comprendre que la diode collecteur-base est polarisée en inverse, mais qu'elle conduit toujours un courant élevé. Ce mode de fonctionnement ne peut pas être atteint avec des diodes PN autonomes qui conduisent des courants négligeables en polarisation inverse. La raison de cette restriction est la même: les électrons en excès du côté P de la diode à polarisation directe ne peuvent pas être balayés vers le côté P de la diode à polarisation inverse à travers le fil métallique selon la "configuration de diode de type BJT". Au lieu de cela, ils sont balayés vers l'alimentation fournissant une tension de polarisation à la borne commune des diodes.

Il y avait une question de suivi qui demandait de fournir un raisonnement plus rigoureux pour les deux paragraphes ci-dessus. La réponse concerne les interfaces métal-semi-conducteur et peut être trouvée ici .

Ce qui précède signifie que la discussion sur la largeur de la région de base est liée à la discussion sur l’efficacité des transistors BJT et qu’elle n’est absolument pas pertinente pour la discussion de deux diodes PN dos à dos pouvant remplacer un BJT.

Sommaire:

Deux diodes PN dos à dos ne peuvent pas fonctionner comme un seul BJT car la fonctionnalité du transistor requiert une région de base semi-conductrice. Une fois qu'un métal a été introduit dans ce chemin (ce que représentent deux diodes dos à dos), aucune fonctionnalité BJT n'est possible.

Non. Deux diodes dos à dos n'est PAS un transistor. La propriété particulière qui fait d’un sandwich PNP ou NPN un transistor plutôt que deux diodes est que la couche de base est très mince. En termes de physique des semi-conducteurs, il n'y a pas deux régions d'appauvrissement distinctes dans la base. Les régions d'appauvrissement des deux jonctions se chevauchent dans la base, ce qui est nécessaire pour que le transistor ait ses propriétés spéciales.

De Wikipedia

Les transistors peuvent être considérés comme deux diodes (jonctions P – N) partageant une région commune que les transporteurs minoritaires peuvent traverser. Un PNP BJT fonctionnera comme deux diodes partageant une région cathodique de type N, et le NPN comme deux diodes partageant une région anodique de type P. La connexion de deux diodes avec des fils ne produira pas de transistor, car les porteurs minoritaires ne pourront pas passer d’une jonction P – N à l’autre à travers le fil.

Fondamentalement, le semi-conducteur doit être connecté directement.

Il peut être utile de réfléchir à la question équivalente pour les tubes à vide. Pourquoi deux tubes de diode dos à dos ne peuvent-ils pas fonctionner comme une triode? La réponse est que pour qu'une triode fonctionne correctement, la plupart des électrons émis par la cathode doivent passer à travers le maillage de la grille pour atteindre l'anode. Si vous avez connecté deux tubes de diodes ensemble et appelé le lien entre eux une grille, ou si vous avez transformé la grille d'une triode en un bloc plein de feuilles au lieu d'une grille, tous les électrons le feraient jusqu'à la grille et s'arrêteraient. là-bas, s’écoulant dans l’alimentation du réseau au lieu d’être réémis pour atteindre l’anode. Pour que la triode fonctionne correctement, il faut que l'impulsion des électrons puisse l'emporter à travers le réseau, en fonction du potentiel existant entre le réseau et l'anode.

Les effets physiques en jeu dans un transistor à semi-conducteur sont différents, mais l'idée fondamentale selon laquelle le courant doit pouvoir contourner le fil qui, sinon, aspirerait au milieu reste la même.

Ceci est une version très réduite de la réponse déjà acceptée.

Le métal ayant des propriétés différentes de celles du semi-conducteur, il ne permettra pas d'unifier les deux N en un seul N. Les deux diodes seront un composant PN-métal-NP qui n'est pas un composant NPN. (Vice versa pour PNP.)

(Si vous coupez la base d'un transistor avec une mince feuille de métal, il cessera de fonctionner.)

Un BJT repose sur le principe de diffusion (des porteurs de charge minoritaires).

Cela ne fonctionne que si l'épaisseur de la base est dans l'ordre de la longueur de diffusion .

Cela ne peut pas être accompli en connectant deux diodes discrètes.

Non, parce que pour faire un transistor, il ne faut qu'une couche mince entre l'émetteur et le collecteur, mais si vous connectez 2 diodes dos à dos, vous obtiendrez une couche épaisse qui empêchera les électrons de pénétrer

Fondamentalement, l’une des diodes s’éteindra en raison de la différence de tension entre l’émetteur de base et le collecteur (0,7 dans toutes les configurations). Une approche plus proche sera un zener et deux diodes mais ne fonctionnera toujours pas comme un transistor, ni rien d’utile. Je suis terrible à expliquer, mais la solution consiste à comprendre comment éliminer la chute de tension sur une diode , chose rarement trouvée dans les livres mais extrêmement importante. Maintenant, essayez d’imaginer une pile de 0,7 V en parallèle avec une diode connectée à un signal, puis elle fonctionnera à partir de 0 et s’effondrera à 0 (pas la valeur typique de -0,7). Eh bien, il y a plus que cela, mais j'essaie seulement de vous indiquer quelque part.