Hvordan fungerer en transistor?
Hvordan fungerer en transistor?
Transistordefinition
En transistor er defineret som et halvlederskomponent, der bruges til at forstærke eller skifte elektroniske signaler.
Der findes forskellige typer af transistorer, men vi fokuserer her på NPN-transistoren i almindelig emitterforbindelse. Denne type har en tungt doped og bred emitterzone, der indeholder mange frie elektroner (flertalstrækkere).
Kollektorzonen er bred og moderat doped, så den har færre frie elektroner end emitteren. Basisonen er meget tynd og let doped, med et lille antal huller (flertalstrækkere). Nu forbinder vi en batteri mellem emitter og kollektor. Emitterkontakten på transistoren forbinder til den negative kontakten på batteriet. Derfor bliver emitter-base-junctionen fremover polariseret, og base-kollektor-junctionen bliver bagud polariseret. Under disse forhold vil der ikke strømme noget strøm gennem komponenten. Inden vi går videre til den faktiske funktion af komponenten, lad os genvende konstruktionen og dopningen af en NPN-transistor. Her er emitterzonen bredere og meget tungt doped. Derfor er koncentrationen af flertalstrækkere (frie elektroner) i denne zone af transistoren meget høj.
Basisonen, på den anden side, er meget tynd, det ligger i området af få mikrometer, mens emitter- og kollektorzonene ligger i millimeterområdet. Dopningen af den midterste p-type lag er meget lav, og derfor er der et meget lille antal huller i dette område. Kollektorzonen er bredere, som vi allerede har nævnt, og dopningen her er moderat, og derfor er der et moderat antal frie elektroner i dette område.
Spændingen, der anvendes mellem emitter og kollektor, falder på to steder. Først har emitter-base-junctionen en fremadbarrierepotential på cirka 0,7 volt i siliciumtransistorer. Resten af spændingen falder over base-kollektor-junctionen som en bagudbarriere.
Uanset hvilken spænding der er over enheden, vil den fremadrettede barrierepotential over emitter-base-junctionen altid være 0,7 volt, og resten af kildespændingen falder over base-kollektor-junctionen som en bagudbarrierepotential.
Dette betyder, at kollektorspændingen ikke kan overvinde den fremadrettede barrierepotential. Så de frie elektroner i emitteren kan ikke krydse over i basen. Som resultat opfører transistoren sig som en slukket switch.
NB: – Da transistoren under disse forhold ideelt set ikke leder nogen strøm, vil der ikke være nogen spændningsfald på den eksterne modstand, og derfor falder hele kildespændingen (V) over junctionerne, som vist på figuren ovenfor.
Lad os nu se, hvad der sker, hvis vi anvender en positiv spænding på basens kontaktpunkt. I denne situation får emitter-base-junctionen en individuel fremadspænding, og den kan bestemt overvinde den fremadrettede potentialbarriere, og derfor vil de fleste trækkere, dvs. de frie elektroner i emitterzonen, krydse junctionen og komme ind i basen, hvor de finder et meget lille antal huller, de kan genforenes med.
På grund af det elektriske felt over junctionen får de frie elektroner, der migrerer fra emitterzonen, kinetisk energi. Basisonen er så tynd, at de frie elektroner, der kommer fra emitteren, ikke får tid nok til at genforenes, og derfor krydser de den bagud polariserede udtømmelsesregion og kommer til sidst til kollektorzonen. Da der er en bagudbarriere over base-kollektor-junctionen, vil den ikke hindre flyden af de frie elektroner fra basen til kollektoren, da de frie elektroner i basen er mindretalstrækkere.
På denne måde flyder elektroner fra emitter til kollektor, og dermed starter kollektor til emitter-strøm. Da der er få huller i basisonen, vil nogle af elektronerne, der kommer fra emitterzonen, genforenes med disse huller og bidrage til basestrømmen. Denne basestrøm er betydeligt mindre end kollektor til emitter-strømmen.
Nogle elektroner fra emitteren bidrager til basistrømmen, mens de fleste passerer igennem kollektoren. Emitterstrømmen er summen af basen- og kollektorstrømmen. Så emitterstrømmen er summen af basen- og kollektorstrømmen.
Lad os nu øge den anvendte basespænding. I denne situation vil flere frie elektroner komme fra emitterzonen til basisonen med mere kinetisk energi på grund af den øgede fremadrettede spænding over emitter-base-junctionen. Dette resulterer i en proportional stigning i kollektorstrømmen. På denne måde kan vi kontrollere et stort kollektor-signal ved hjælp af et lille basesignal. Dette er den grundlæggende arbejdsmåde for en transistor.
