Принцип работы транзистора. Схема с общей базой .

Самый главный вопрос, который содействовал созданию физики полупроводников это «каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?». Создателям транзистора пришлось изобрести теорию, объясняющую явление увеличения выходного тока транзистора PNP-структуры при поступлении на его базу тока в отрицательной полярности.

Ответить на этот вопрос без применения термодинамической теории было просто невозможно. Тогда были изобретены «дырки» - ток электронов в валентной зоне. Подвижность «дырок» научились измерять…

И было придумано много такого, благодаря чему сегодня мы должны создавать физику полупроводников с нуля.

Понятие запрещённой зоны помогает классифицировать

PN-переходы на широкозонные и узкозонные. Но сама идея зонной теории базируется на несуществующих уровнях Ферми, которые невозможно измерить. Возможно, что зонную теорию тоже необходимо пересмотреть.

Квантовая теория к физике полупроводников вообще никакого отношения не имеет.

Так, как квантовую теорию разрабатывали в начале прошлого века, когда неправильно была разработана термодинамика (без теории теплового заряда), то сегодня она тоже нуждается в пересмотре.

Итак, главный вопрос - «каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?» - должен изменить физику полупроводников.

Сначала изложим правила, по которым происходит энергообмен в PN-переходах. Правила:

1. Вход энергии в PN-переход. ( Эффект Зеебека )

1.1.Если в PN-переход поступает тепловая энергия в виде эстафетного тока электронов, то она преобразуется в ЭДС на

PN-переходе. При этом эстафетный ток преобразуется в инжекционный ток. Инжекционный ток имеет тепловую природу, поэтому не может быть вычислен по правилам Киргофа.

1.2.Если входящая энергия создала ЭДС, то эта ЭДС создаёт в

PN-переходе прямой ток, по величине этот ток определяется вольт-амперной характеристикой прямого тока соответствующего

PN-перехода.

2. Выход энергии из PN-перехода. ( Тепловой эффект Пельтье. )

2.1.Если через PN-переход пропускать прямой ток, то на PN-переходе создаётся разность потенциалов (ЭДС) согласно вольт-амперной характеристики прямого тока этого перехода. При этом, электроны, проходящие через PN-переход в прямом направлении выделяют тепловую энергию.

2.2.Если вблизи нет соседних PN-переходов (потенциальных барьеров), то энергия из PN-перехода выходит посредством эстафетных движений (токов) электронов – что соответствует тепловому току при теплопередаче.

Если поблизости от выделяющего тепловую энергию PN-перехода находится другой PN-переход, то он создаёт потенциальную яму – отбирает у эстафеты электрон для заполнения своего электрического барьера, тем самым превращает эстафетный ток в инжекционный. Инжекционный ток имеет тепловую природу и не подчиняется правилам Киргофа для электрической цепи. Инжекционный ток имеет направление в сторону потенциальной ямы – запертого PN-перехода.

3.Вход энергии в запертый PN-переход. (Холодильный эффект Пельтье.)

3.1.Энергия, входящая в запертый PN-переход способна реализовать электронное управление. При входе энергии в запертый PN-переход, сам PN-переход начинает работать сразу в 2-х режимах.

В нём создаётся ЭДС и протекает прямой ток, согласно поступившей энергии. (Эффект Зеебека.) Инжекционный ток несёт с собой тепловую энергию. Эта тепловая энергия поглощается в запертом PN-переходе и через переход совместно с прямым током протекает и обратный ток, равный по величине прямому току – это соответствует холодильному эффекту Пельтье. Величина ЭДС устанавливается согласно эмиссионному уравнению для прямого тока PN-перехода, и дополнительно она складывается с разностью потенциалов, создаваемой обратным током.

3.2.Кроме энергии электронного управления, запертый PN-переход перехватывает все возможные другие поступающие энергии. В эти энергии входят следующие:

- энергия световых волн.

- энергия тепла.(Локальное тепло относительно температуры окружающей среды.)

- энергия тепла, возникающая при протекании электрического тока, при конвертировании энергии источника в тепло – это соответствует закону Джоуля-Ленца.

- энергия обратного напряжения. (Подобное явление – это эффект Эрли.)

Все эти энергии участвуют в процессе управления обратным током.

Рассмотрим работу транзистора как термодинамического электронного прибора в схеме с Общей Базой.

Работу рассмотрим поэтапно, исследуя во времени 4 момента. Такое рассмотрение удобно для понимания термодинамического принципа работы транзистора. На самом деле – в реальности – транзистор включается в работу мгновенно. Итак, 4 момента во времени.

Рис. 4.27. Момент времени 1.

Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке 4.27., транзистор показан в виде 3-х областей NPN, Rвх – входное сопротивление, принадлежащее цепи входного сигнала, Rн – сопротивление нагрузки ( или сопротивление для измерения токов коллектора ), Eб – источник напряжения, представляющий из себя входной сигнал. Eк – батарея цепи коллектора. Полярности включения Eб и Eк отмечены знаками «+» и «-».

Рис. 4.28. Момент времени 2.

Момент 2. Через переход База-Эмиттер протекает входной ток. В переходе База-Эмиттер возникает выход тепловой энергии в виде эстафетного тока электронов – обозначен двунаправленными стрелками. Эстафетный ток электронов возникает в том случае, если есть градиент температуры и происходит процесс теплопередачи. В данном случае переход База-Эмиттер теплее холодной потенциальной ямы перехода Коллектор-База. Вольтметр В1, подключенный к переходу База-Эмиттер показывает разность потенциалов (ЭДС), согласно вольт-амперной характеристики прямого тока перехода. В PN-переходе База-Эмиттер протекает прямой ток, обозначенный стрелками.

Рис. 4.29. Момент времени 3.

Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы – перехода База-Коллектор. У перехода База-Коллектор есть скрытый электрический барьер, который отрывает электрон от эстафеты, заряжая тем самым переход. В результате постоянного отрыва последнего электрона (достигшего перехода База-Коллектор), эстафетный ток преобразуется в инжекционный, направленный от перехода База-Эмиттер в сторону перехода База-Коллектор. Инжекционный ток имеет тепловую природу.

Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться, в переходе База-Коллектор возникает ЭДС ( измеряется вольтметром В2). Соответственно этой ЭДС, согласно эмиссионному уравнению перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор

протекает прямой ток – на схеме обозначен стрелками.

Рис. 4.30. Момент времени 4.

Момент 4. Электроны инжекционного тока приносят в переход энергию. Через PN-переход База-Коллектор начинает протекать обратный ток, согласно холодильному эффекту Пельтье. Величина обратного тока зависит от полученной энергии от перехода База-Эмиттер. Поэтому ток коллектора Ik не превышает Ib. Тепловая энергия, забираемая от перехода База-Эмиттер определяется резистором R_D. R_D. – это добавочное сопротивление в цепи База-Эмиттер. Оно определяет отрицательную обратную связь.

Вольтметр В2 показывает уже не ЭДС в чистом виде, некую сумму этой ЭДС и разности потенциалов, создаваемой обратным током. ЭДС прямого тока перехода База-Коллектор существует, и ток коллектора Ik без неё был бы невозможен. Усилитель по схеме с общей базой работает!

Если к коллектору приложить высокое напряжение (порядка 100 Вольт для кремниевых транзисторов), то это напряжение не попадёт на вывод эмиттера, по той простой причине, что у инжекционного тока природа – тепловая. Электроны инжекционного тока движутся в сторону коллектора из-за явления теплопередачи! Высокое напряжение коллектора не может повернуть их назад, так, как контуры тока – входного и выходного - ( по правилу Киргофа для электрических цепей ) разорваны.

При изготовлении транзистора, переход База-Коллектор делается более чувствительным к энергии, а значит – более управляемым.

Сразу заметна разница в значениях резистора R_D для перехода БЭ и перехода БК. Для транзистора КТ312В: величина R_D для перехода БЭ равна 1,06 Ом, величина R_D для перехода БК равна 0,4 Ом.

Переход БК более низкоомный, чем переход БЭ, и при одинаковых прямых токах переход БК менее нагревается, чем переход БЭ.

Для перехода База-Коллектор параметр T_F немного выше, чем для перехода База-Эмиттер. Например, для транзистора КТ312В для перехода База-Эмиттер T_F = 608 Кельвин, для перехода База-Коллектор T_F = 626 Кельвин.

Точно также объясняется работа схемы с общей базы транзистора PNP-типа. Для инжекционного тока важно наличие горячего и холодного PN-переходов. А направление его движения определяется разностью их температур.

Не нужны такие фикции как «дырка» и «дырочная проводимость», когда явление электронного управления можно объяснить с помощью явления теплопередачи, посредством эстафетных и инжекционных токов, с позиций термоэлектроники.