ทำไมไดโอดที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมสองตัวไม่สามารถทำหน้าที่เป็น BJT ได้?

อีกรูปแบบของคำถามคือจะเข้าร่วมสองไดโอดกับสาย (pn-np) ทำให้ทรานซิสเตอร์เทียบเท่าหรือไม่

ฉันอ่านว่ามันไม่เท่ากัน แต่ทำไม?

หลายคนคิดว่าคำตอบสำหรับคำถามนี้เกี่ยวข้องกับความกว้างของบริเวณฐานในทรานซิสเตอร์ BJT - มันไม่ถูกต้อง คำตอบนั้นค่อนข้างยาว คุณสามารถอ่านเริ่มต้นจากส่วน "คำถามหากิน" หากคุณต้องการบรรทัดล่าง

ฉันเชื่อว่าคุณถูกนำตัวไปถามคำถามนี้เนื่องจากบางสิ่งเช่นภาพนี้:

นี่เป็นมาตรฐานการสอนพื้นฐานของ BJT แต่อาจสร้างความสับสนให้กับคนที่ไม่คุ้นเคยกับทฤษฎีเซมิคอนดักเตอร์ในรายละเอียด

เพื่อที่จะตอบคำถามของคุณในระดับที่ยอมรับได้ฉันต้องสมมติว่าคุณคุ้นเคยกับหลักการทำงานของไดโอด PN ข้อมูลอ้างอิงนี้ประกอบด้วยการสนทนาโดยละเอียดของทางแยก PN

คำตอบเกี่ยวข้องกับทรานซิสเตอร์ NPN แต่ก็ใช้กับทรานซิสเตอร์ PNP หลังจากการเปลี่ยนแปลงขั้วที่เหมาะสม

NPN ในโหมดการทำงานแบบแอ็คทีฟ:

โหมด "มีประโยชน์" มากที่สุดของการทำงานของทรานซิสเตอร์ BJT เรียกว่า "ไปข้างหน้า":

NPN อยู่ในโหมดไปข้างหน้าเมื่อ:

• ชุมทาง -Base เป็นไปข้างหน้าลำเอียง (ปกติที่ )$V_{BE}\approx 0.6V$
• ชุมทางตัวรวบรวมฐานจะเอนเอียงแบบย้อนกลับ ( )$V_{CB}>0$

เนื่องจากชุมทาง Base-Emitter กำลังถูกลำเอียงไปข้างหน้าจึงมีการฉีดอิเล็กตรอนจาก Emitter ไปยังฐาน (ในภาพด้านบน) และการฉีดพร้อมกันของรูจาก Base ไปยัง Emitter (ในภาพด้านบน) ภูมิภาคตัวส่งสัญญาณ ( ) นั้นมีความหนาแน่นมากกว่าบริเวณฐาน ( ) อย่างมากดังนั้นกระแสไฟฟ้าเนื่องจากอิเล็กตรอนที่ถูกฉีดเข้าสู่ฐานจะสูงกว่ากระแสไฟฟ้ามากเนื่องจากมีรูที่ถูกฉีดเข้าไปในตัวส่งสัญญาณฉันB 1 = ฉันE P n + +$I_{E_n}$$I_{B1}=I_{E_p}$$n^{++}$$p$

โปรดทราบว่ารูที่ฉีดเข้าไปใน Emitter นั้นมาจากขั้วไฟฟ้าฐาน (เบสปัจจุบัน) ในขณะที่อิเล็กตรอนที่ฉีดเข้าไปในฐานนั้นมาจากขั้วไฟฟ้าของตัวปล่อยกระแสไฟฟ้า อัตราส่วนระหว่างกระแสเหล่านี้คือสิ่งที่ทำให้ BJT เป็นอุปกรณ์ขยายสัญญาณปัจจุบัน - กระแสขนาดเล็กที่ขั้วฐานสามารถทำให้เกิดกระแสที่สูงกว่ามากที่ขั้ว Emitter การขยายปัจจุบันแบบเดิมถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนกระแสต่อ Collector-to-Base แต่เป็นอัตราส่วนระหว่างกระแสข้างต้นซึ่งทำให้การขยายใด ๆ ในปัจจุบันเป็นไปได้

เนื่องจากการฉีดอิเล็กตรอนจำนวนมากจาก Emitter อิเล็กตรอนมีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายผ่านทางแยกกลับลำเอียงแบบ Base to Base-Collector เมื่ออิเล็กตรอนมาถึงที่นั่นมันจะถูกกวาดไปทั่วบริเวณ Collector-Base depletion และถูกฉีดเข้าสู่ Collector ดังนั้นจึงมีส่วนทำให้กระแสของ Collector (ในภาพด้านบน)$I_C$

ทีนี้ถ้าอิเล็กตรอนทั้งหมดที่ถูกปล่อยออกมาจากตัวปล่อยรังสีสามารถแพร่กระจายไปที่ชุมทางสะสมแบบลำเอียงแบบย้อนกลับโดยไม่ถูกรบกวนจากผลกระทบอื่น - ไม่มีความสำคัญต่อความกว้างของบริเวณฐาน อย่างไรก็ตามมีการรวมตัวกันอีกครั้งเกิดขึ้นในฐาน

ในกระบวนการรวมตัวกันอีกครั้งอิเล็กตรอนที่ฉีดเข้ามาจะพบกับหลุมและ "ทำให้เป็นกลาง" ซึ่งกันและกัน อิเล็กตรอนที่ถูกฉีดจะ "หายไป" ในกระบวนการนี้และจะไม่นำไปสู่กระแสที่ขั้วสะสม แต่เดี๋ยวก่อนการอนุรักษ์ประจุต้องให้หลุมที่รวมตัวกันอีกครั้งของอิเล็กตรอนที่ฉีดเข้าไปจะถูกส่งมาจากที่ไหนสักแห่งใช่ไหม? ปรากฎว่ารูที่รวมตัวกันใหม่นั้นมาจากขั้วฐาน (ในภาพด้านบน) ซึ่งจะเป็นการเพิ่มกระแสของฐานและลดอัตราส่วนกระแสต่อตัวส่งถึงฐาน$I_{B2}$

ดังกล่าวข้างต้นหมายความว่ายิ่งอิเล็กตรอนรวมตัวอีกครั้งในระหว่างการแพร่กระจายผ่านบริเวณฐานยิ่งได้รับกระแสของทรานซิสเตอร์น้อยลง มันขึ้นอยู่กับผู้ผลิตเพื่อลดการรวมตัวกันอีกครั้งเพื่อให้ทรานซิสเตอร์ทำงานได้

มีหลายปัจจัยที่ส่งผลกระทบต่ออัตราการรวมตัวกันใหม่ แต่หนึ่งในปัจจัยที่สำคัญที่สุดคือความกว้างของฐาน เห็นได้ชัดว่ายิ่งฐานกว้างมากเท่าไรก็จะยิ่งใช้เวลาในการฉีดอิเล็กตรอนมากขึ้นเพื่อกระจายผ่านฐานยิ่งมีโอกาสสูงที่จะพบกับหลุมและรวมตัวกันอีกครั้ง ผู้ผลิตมักจะทำ BJTs ด้วยฐานที่สั้นมาก

ดังนั้นทำไม PN ไม่สามารถไดโอด PN สองตัวกลับไปด้านหลังเป็น NPN เดี่ยว:

การสนทนาข้างต้นอธิบายว่าทำไมฐานต้องสั้น PN ไดโอด (ปกติ) ไม่มีพื้นที่สั้น ๆ ดังนั้นอัตราการรวมตัวกันอีกครั้งจะสูงมากและอัตราการรวมตัวใหม่จะมีความเป็นเอกภาพโดยประมาณ สิ่งนี้หมายความว่า? หมายความว่ากระแสที่เทอร์มินัล "Emitter" จะเท่ากับกระแสที่เทอร์มินัล "ฐาน" และกระแสที่ "ตัวสะสม" จะเป็นศูนย์:

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ไดโอดทำงานเป็นอุปกรณ์อิสระไม่ใช่ BJT ตัวเดียว!

คำถามหากิน:

ด้วยความแม่นยำหลายระดับหลายคนสามารถตอบคำถามเริ่มต้นของคุณได้เช่นเดียวกับฉัน อย่างไรก็ตามคำถามที่น่าสนใจยิ่งกว่านี้คือถ้าเราทำให้ด้านของไดโอดทั้งสองสั้นมากเช่นนั้นผลรวมของความกว้างจะไม่กว้างกว่าภาคฐานของทรานซิสเตอร์ NPN ไดโอดจะทำหน้าที่เป็นทรานซิสเตอร์หรือไม่?$p$

คำถามนี้ยากที่จะตอบเพราะคำตอบที่ตรงไปตรงมาของ "ไม่ฐานของ BJT สั้นมาก" นั้นใช้ไม่ได้อีกต่อไป

ปรากฎว่าวิธีการนี้จะไม่ทำให้สองไดโอดคล้ายกันในพฤติกรรมกับทรานซิสเตอร์ NPN เดียว เหตุผลก็คือเมื่อสัมผัสโลหะของไดโอดที่สัมผัสโลหะและเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กตรอนมากเกินไป "recombine" ทั้งหมดที่มี "หลุม" ที่จัดทำโดยการติดต่อ ไม่ใช่การรวมตัวกันตามปกติเนื่องจากโลหะไม่มีรู แต่ความแตกต่างที่ดีนั้นไม่สำคัญ - เมื่ออิเล็กตรอนเข้าสู่โลหะจะไม่สามารถทำหน้าที่ของทรานซิสเตอร์ได้

ทางเลือกอื่นของการทำความเข้าใจกับจุดข้างต้นคือการตระหนักว่าไดโอด Collector-Base นั้นมีความเอนเอียงแบบย้อนกลับ แต่ยังคงมีกระแสไฟฟ้าสูง โหมดการทำงานนี้ไม่สามารถทำได้ด้วยไดโอด PN แบบสแตนด์อโลนซึ่งดำเนินกระแสไม่สำคัญภายใต้อคติย้อนกลับ เหตุผลสำหรับข้อ จำกัด นี้คือ - อิเล็กตรอนส่วนเกินจากด้าน P ของไดโอดลำเอียงไปข้างหน้าไม่สามารถถูกกวาดไปที่ด้าน P ของไดโอดลำเอียงแบบย้อนกลับผ่านลวดโลหะใน "BJT เช่นการกำหนดค่าไดโอด" แต่พวกมันจะถูกส่งไปยังแหล่งจ่ายไฟที่ให้แรงดันไบอัสไปยังขั้วทั่วไปของไดโอด

มีคำถามติดตามซึ่งขอให้ให้เหตุผลที่เข้มงวดยิ่งขึ้นสำหรับสองย่อหน้าข้างต้น คำตอบที่เกี่ยวข้องกับการอินเตอร์เฟซโลหะสารกึ่งตัวนำและสามารถพบได้ที่นี่

สิ่งที่ได้กล่าวมาข้างต้นนั้นคือการอภิปรายเกี่ยวกับความกว้างของบริเวณฐานที่เกี่ยวข้องกับการอภิปรายเกี่ยวกับประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ BJT และไม่เกี่ยวข้องอย่างสมบูรณ์กับการอภิปรายของไดโอด PN back-to-back PN สองตัวแทน BJT

สรุป:

ไดโอด PN back-to-back สองตัวไม่สามารถทำหน้าที่เป็น BJT เดียวได้เพราะการทำงานของทรานซิสเตอร์นั้นต้องใช้เซมิคอนดักเตอร์เท่านั้นในส่วนฐาน เมื่อโลหะถูกนำมาใช้ในเส้นทางนี้ (ซึ่งเป็นสิ่งที่ไดโอดสองตัวจากด้านหลังถึงด้านหลัง) จะไม่สามารถใช้ฟังก์ชัน BJT ได้

ไม่ไดโอดกลับไปด้านหลังสองตัวไม่ใช่ทรานซิสเตอร์ คุณสมบัติพิเศษที่ทำให้แซนวิช PNP หรือ NPN เป็นทรานซิสเตอร์แทนที่จะเป็นไดโอดสองตัวคือชั้นฐานบางมาก ในแง่ฟิสิกส์ของเซมิคอนดักเตอร์นั้นจะไม่มีพื้นที่พร่องแยกกันสองจุดในฐาน บริเวณพร่องจากรอยต่อทั้งสองทับซ้อนกันในฐานซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทรานซิสเตอร์ที่จะมีคุณสมบัติพิเศษ

จากวิกิพีเดีย

ทรานซิสเตอร์สามารถคิดได้ว่าเป็นไดโอดสองตัว (จุดรวม P – N) ที่ใช้พื้นที่ร่วมกันที่ผู้ให้บริการรายย่อยสามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ PNP BJT จะทำหน้าที่เหมือนไดโอดสองตัวที่ใช้พื้นที่แคโทดแบบ N และ NPN คล้ายกับไดโอดสองตัวที่แชร์พื้นที่แอโนดชนิด P การเชื่อมต่อไดโอดสองตัวด้วยสายไฟจะไม่สร้างทรานซิสเตอร์เนื่องจากพาหะของชนกลุ่มน้อยจะไม่สามารถรับจากทางแยก P-N หนึ่งไปยังอีกทางหนึ่งผ่านทางสายไฟ

โดยทั่วไปสารกึ่งตัวนำจะต้องเชื่อมต่อโดยตรง

มันอาจจะคุ้มค่าที่จะคิดถึงคำถามที่เทียบเท่ากับหลอดสุญญากาศ ทำไมหลอดไดโอดแบบแบ็ค - ทู - แบ็คถึงสองท่อจึงทำหน้าที่เป็น triode ไม่ได้? คำตอบก็คือเพื่อให้ triode ทำงานอย่างถูกต้องอิเล็กตรอนส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาจากแคโทดจะต้องผ่านตาข่ายของตะแกรงเพื่อที่จะไปถึงขั้วบวก หากคุณเชื่อมต่อหลอดไดโอดสองหลอดเข้าด้วยกันและเรียกใช้การเชื่อมโยงระหว่างพวกเขาเป็นตารางหรือถ้าคุณทำตารางของ triode ให้กลายเป็นก้อนฟอยล์ที่เป็นของแข็งแทนที่จะเป็นตารางจากนั้นอิเล็กตรอนทั้งหมดจะทำให้มันเท่าที่เป็นตารางและหยุด มีการระบายออกไปสู่การจัดหากริดแทนที่จะถูกปล่อยออกมาอีกครั้งเพื่อไปที่ขั้วบวก สำหรับการทำงานที่ถูกต้องของ triode จะต้องมีโอกาสสำหรับโมเมนตัมของอิเล็กตรอนในการเคลื่อนย้ายมันผ่านกริดซึ่งขับเคลื่อนโดยศักยภาพที่มากกว่าระหว่างกริดและขั้วบวก

ผลกระทบทางกายภาพในการเล่นในทรานซิสเตอร์เซมิคอนดักเตอร์จะแตกต่างกัน แต่ความคิดพื้นฐานที่ว่าในปัจจุบันจะต้องสามารถข้ามลวดที่มิฉะนั้นจะดูดมันออกจากตรงกลางยังคงเหมือนเดิม

นี่เป็นคำตอบที่ได้รับการยอมรับแล้วในเวอร์ชันที่ลดลงมาก

โลหะมีคุณสมบัติแตกต่างจากเซมิคอนดักเตอร์ดังนั้นจึงจะไม่รวมสอง N เข้าไว้ใน N เดียวไดโอดทั้งสองจะเป็นส่วนประกอบ PN-metal-NP ซึ่งไม่ใช่องค์ประกอบ NPN (ในทางกลับกันสำหรับ PNP)

(หากคุณตัดฐานของทรานซิสเตอร์ด้วยแผ่นโลหะบาง ๆ มันจะหยุดทำงาน)

BJT อาศัยหลักการกระจายตัวของผู้ให้บริการส่วนน้อย

มันทำงานได้เฉพาะในกรณีที่ความหนาของฐานที่อยู่ในลำดับของระยะเวลาในการแพร่กระจาย

สิ่งนี้ไม่สามารถทำได้โดยการเชื่อมต่อไดโอดสองตัวแยกกัน

ไม่เพราะการทำทรานซิสเตอร์ต้องการเพียงชั้นบาง ๆ ระหว่างตัวส่งและตัวสะสม แต่ถ้าคุณเชื่อมต่อ 2 ไดโอดกลับไปด้านหลังจะให้ชั้นหนาซึ่งจะยากสำหรับอิเล็กตรอนที่จะเจาะ

โดยทั่วไปหนึ่งในไดโอดจะปิดตัวลงเนื่องจากความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าในทั้งตัวส่งสัญญาณฐานหรือตัวสะสม (0.7 ในการกำหนดค่าใด ๆ ) วิธีที่ใกล้กว่าจะเป็นซีเนอร์และไดโอดสองตัวแต่ก็ยังไม่สามารถทำหน้าที่เป็นทรานซิสเตอร์หรืออะไรก็ได้ที่มีประโยชน์ ฉันอธิบายได้ยากมาก แต่คำตอบสามารถเข้าใจได้ว่าจะกำจัดแรงดันตกคร่อมไดโอดได้อย่างไรสิ่งที่ไม่ค่อยพบในหนังสือ แต่สำคัญมาก ทีนี้ลองนึกภาพแบตเตอรี่ 0.7V ขนานกับไดโอดที่เชื่อมต่อกับสัญญาณจากนั้นมันจะเริ่มจาก 0 และจะยุบที่ 0 (ไม่ใช่ -0.7 ทั่วไป) มีมากกว่านั้น แต่ฉันแค่พยายามชี้คุณที่ไหนซักแห่ง