Принцип работы транзистора.Самый главный вопрос, который содействовал созданию физики полупроводников это «каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?». Создателям транзистора пришлось изобрести теорию, в которой выходной ток транзистора увеличивался при поступлении на 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. Зонная теория, правда пока никуда не ушла. Но, судя по тому как она смело обошлась с валентными электронами, наверное следует пересмотреть и её. Квантовая теория к физике полупроводников вообще никакого отношения не имеет. Так, как квантовую теорию разрабатывали в начале прошлого века, когда плохо была разработана термодинамика ( отсутствовала теория теплового заряда ), то сегодня она тоже нуждается в пересмотре, а главное в ограничении действия квантовых условий. Теория квантов применима, там, где атом излучает световую волну. Такое явление возникает в светодиодах и полупроводниковых лазерах. Несмотря на это, термодинамика явлений в этих приборах должна быть изучена.
Существующее сегодня ( в официальной физике ) объяснение работы биполярного транзистора:
Транзистор
http://avnsite.narod.ru/physic/pp/teor_p9.htmИтак, главный вопрос - «каков принцип работы транзистора, как усилительного электронного прибора?» - должен изменить физику полупроводников.
У полупроводниковых элементов Пельтье, которые тоже имеют PN-переходы энергообмен неплохо изучен.
Элемент Пельтье
https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/418212Почему же полупроводниковый диод остался без термодинамики?
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 управляется по законам 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 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 этого перехода. При этом, электроны, проходящие через PN-переход в прямом направлении выделяют тепловую энергию. Процесс выделения тепла определяется сопротивлением Rd.
2.2. Если вблизи нет соседних PN-переходов ( потенциальных барьеров ), то энергия из PN- перехода выходит посредством эстафетных движений (токов) электронов – что соответствует теплопередаче.
Если поблизости от выделяющего энергию PN-перехода находиться другой PN-переход, то он создаёт потенциальную яму – отбирает у эстафеты электрон для заполнения своего скрытого электрического барьера, тем самым превращает эстафетный ток в инжекционный. Как уже говорилось, инжекционный ток имеет тепловую природу и не подчиняется законам Киргофа.
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, сгласно 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.
Схема с общей базой.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.
ис. 1. Момент 1.
Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке, 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. 2. Момент 2.
Момент 2. Через переход База-Эмиттер протекает входной ток. В переходе База-Эмиттер возникает выход тепловой энергии в виде эстафетного тока электронов – обозначен сиреневыми 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 перехода. В PN- переходе База-Эмиттер протекает прямой ток, обозначенный синими стрелками
Рис. 3. Момент 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 барьер. 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 термодинамическую 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 синими стрелками.
Рис. 4. Момент 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. Энергия, забираемая от перехода База-Эмиттер определяется некоторым резистором Rd.
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 – термодинамическая. 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 закону Киргофа для электрических цепей ) разорваны.
При изготовлении транзистора, переход База-Коллектор делается более чувствительным к энергии, а значит – более управляемым. Для перехода База-Коллектор параметр TF значительно выше, чем для перехода База-Эмиттер. Например, для транзистора КТ312В для перехода База-Эмиттер TF = 550 Кельвин, для перехода База-Коллектор TF = 843 Кельвин.
Если у батареи Eк поменять полярность и тем самым создать прямой ток в переходе База-Коллектор, то возникает процесс, когда оба перехода транзистора будут выделять тепловую энергию. Согласно термодинамике, эстафетный ток электронов возникнет при различном нагреве этих переходов. Передача энергии при этом будет осуществляться методом уравнивания термического заряда (это принцип теплопередачи), от горячего объекта к более холодному. В данном случае, более горячим объектом окажется коллектор ( TF определяет более тёплый переход, при одинаковых приложенных напряжениях, для КТ 312В: 843К > 550К). Эстафетный ток двинется к эмиттеру и превратиться в инжекционный. После чего к ЭДС эмиттера добавиться разность потенциалов – в результате теплового инжекционного тока несущего энергию от перехода База-Коллектор.
Если увеличивать ток в переходе База-Коллектор, ЭДС в переходе База-Эмиттер будет увеличиваться. Этот процесс будет выглядеть как смещение Вольт-Амперной характеристики перехода База-Эмиттер в сторону более больших напряжений.
Из-за параметров своего эмиссионного уравнения, переход База-Коллектор обладает более смещающим действием на Вольт-Амперную характеристику перехода База-Эмиттер.
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 возможно объяснить с помощью понятия теплопередачи, посредством эстафетных и инжекционных токов, с позиций термодинамики.
Схема с общим эмиттером. Так, как тепловой ток (ему соответствует параметр – мощность, или по другому – входной энергетический сигнал) управляет закрытым переходом, то в схеме с общим эмиттером между переходами возникает многократное отражение этого сигнала. Оба перехода играют роль зеркал, а кратность отражения соответствует коэффициенту β. Как известно, β изменяется в зависимости от протекающего тока (эффект Кирка).
Рассмотрим работу схемы с общим эмиттером, применяя метод остановки времени – с помощью временных моментов.
Рис. 1. Момент 1.
Момент 1. Включение цепи. Токи ещё не начались. Здесь на рисунке, 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. 2. Момент 2.
Момент 2. Через переход протекает ток входного сигнала. Возникает выход из перехода База-Эмиттер тепловой энергии. Возникает явление теплопередачи посредством эстафетного тока электронов. На рисунке 20 эстафетный ток обозначен двунаправленными стрелками фиолетового цвета. В переходе База-Эмиттер возникает ЭДС, согласно Вольт-Амперной характеристики. Синими стрелками в переходе База-Эмиттер обозначен прямой ток.
О величине Ib и процессе многократных отражений:
Первоначально величина Ib имеет максимальную величину, но с каждым последующим отражением величина этого тока будет уменьшаться… Если на вход входной сигнал подаётся через стабилизатор тока, то с каждым последующим процессом отражения возникает явление смещения входной характеристики в сторону более больших напряжений, что как раз и показывает уменьшение величины Ib.
Рис. 3. Момент 3.
Момент 3. Эстафетный ток достиг потенциальной ямы PN-перехода База-Коллектор. Электрон эстафетного тока, достигший перехода База-Коллектор отрывается электрическим барьером этого перехода и идёт на создание ЭДС этого перехода. Из-за этого эстафетный ток преобразуется в инжекционный. Но природа этого тока осталась прежней – это явление теплопередачи. Запертый переход База-Коллектор является холодным ( холодильный эффект Пельтье ), а переход База-Эмиттер является горячим (тепловой эффект Пельтье).
Скрытый электрический барьер перехода База-Коллектор начинает заряжаться. Возникает ЭДС. Соответственно этой ЭДС, согласно Вольт-Амперной характеристике перехода База-Коллектор, через переход База-Коллектор протекает прямой ток – обозначен синими стрелками.
Рис. 4. Момент 4.
Момент 4. Первое зеркальное отражение. Закрытый переход База-Эмиттер получает энергию от перехода База-Эмиттер посредством инжекционного тока. Холодильный эффект Пельтье срабатывает и начинает течь ток коллектора Ik. Его можно назвать 1-м зеркальным отражением, потому что, ему предстоит пересечь переход База-Эмиттер в прямом направлении, что вызовет увеличение инжекционного тока – на рисунке 22 это показано как сумма инжекционных токов E1+E2. Следующим шагом будет прибавление к току коллектора ещё одной его порции – второе зеркальное отражение.
Итак, коллекторный ток становиться источником выброса добавочной энергии, выражающейся в инжекционном токе E2. Этот выброс должен далее создать второе зеркальное отражение, то есть прибавку (удвоение ) тока коллектора.
После будет утроение коллекторного тока, после ток возрастёт в 4 раза…
Такой процесс отражений происходит β раз. Казалось бы умножению не будет конца, но существует процесс, ограничивающий β. Это как раз процесс выделения тепла в переходе База-Эмиттер. Процесс выделения тепла определяется резистором Rd, который вносит отрицательную обратную связь для тока База-Эмиттер. Этот процесс сопровождается смещением входной характеристики, и тем самым уменьшением порции входного тока Ib.
Процессы положительной обратной связи (ПОС) и отрицательной обратной связи (ООС) уравновешиваются при β равном 100 – 300 раз.
Кольцо ООС ограничивает количество отражений до β раз.
Если процесс многократных отражений превысит процесс ограничения, то на выходной Вольт-Амперной характеристики транзистора образуется S-образный участок, говорящий о существовании ПОС. Такой режим возникает у германиевых транзисторов при малых токах базы ( 1- 10 мкА), при больших ( порядка 10 Вольт ) коллекторных напряжениях. Такие же процессы, приводящие к образованию S-образной характеристики, происходят при работе динисторов и тиристоров.
Объяснение работы биполярного транзистора дано с учётом термодинамики.
Источник:
Принцип работы транзистора
https://my.mail.ru/community/radio_termo_elektro_nika/069A0A816D81F381.htmlВалерий Багницкий,
07-06-2011
