Hoe Werkt een Transistor

Hoe werkt een transistor?

Definitie van een transistor

Een transistor is gedefinieerd als een halfgeleiderapparaat dat wordt gebruikt om elektronische signalen te versterken of te schakelen.

Er zijn verschillende soorten transistors beschikbaar, maar we zullen ons richten op de NPN-transistor in gemeenschappelijke emittermodus. Deze soort heeft een sterk gedopeerde en brede emitterregio, die veel vrije elektronen (majoritaire dragers) bevat.

De collectorregio is breed en matig gedopeerd, dus het heeft minder vrije elektronen dan de emitter. De baseregio is zeer dun en licht gedopeerd, met een klein aantal gaten (majoritaire dragers). Nu verbinden we een batterij tussen de emitter en de collector. Het emitterterminal van de transistor is verbonden met de negatieve terminal van de batterij. Daardoor wordt de emitter-baseschakeling voorwaarts gebiaseerd, en de base-collector-schakeling achterwaarts gebiaseerd. In deze toestand zal er geen stroom door het apparaat stromen. Voordat we naar de werkelijke werking van het apparaat gaan, laten we de constructie- en dopingsdetails van een NPN-transistor herinneren. Hier is de emitterregio breder en zeer sterk gedopeerd. Daarom is de concentratie van majoritaire dragers (vrije elektronen) in deze regio van de transistor zeer hoog.

Aan de andere kant is de baseregio zeer dun, in de orde van enkele micrometer, terwijl de emitter- en collectorregio in de orde van millimeter liggen. Het dopen van de middelste p-type laag is zeer laag, en daardoor is er een zeer klein aantal gaten aanwezig in deze regio. De collectorregio is breder zoals we al vertelden en het dopen hier is matig, en dus is er een matig aantal vrije elektronen aanwezig in deze regio.

De spanning die wordt toegepast tussen de emitter en de collector valt op twee plaatsen. Ten eerste heeft de emitter-baseschakeling een voorwaartse barrièrepotentiaal van ongeveer 0,7 volt bij siliciumtransistors. De rest van de spanning valt over de base-collector-schakeling als een achterwaartse barrière.

Ongeacht de spanning over het apparaat, blijft de voorwaartse barrièrepotentiaal over de emitter-baseschakeling altijd 0,7 volt, en de rest van de bronspanning valt over de base-collector-schakeling als achterwaartse barrièrepotentiaal.

Dit betekent dat de collectorspanning de voorwaartse barrièrepotentiaal niet kan overwinnen. Dus de vrije elektronen in de emitter kunnen de basis niet oversteken. Als gevolg daarvan gedraagt de transistor zich als een uitgeschakelde schakelaar.

NB: – Omdat de transistor in deze toestand in theorie geen stroom geleidt, zal er geen spanningval zijn over de externe weerstand, waardoor de volledige bronspanning (V) over de schakelingen valt, zoals getoond in de figuur hierboven.

Laten we nu zien wat er gebeurt als we een positieve spanning aanbrengen op het basisterminal van het apparaat. In deze situatie krijgt de base-emitterschakeling individueel een voorwaartse spanning, en dit kan de voorwaartse potentiaalbarrière overwinnen, waardoor de majoritaire dragers, namelijk de vrije elektronen in de emitterregio, de schakeling oversteken en in de baseregio komen, waar ze erg weinig gaten hebben om mee te recombineren.

Maar door het elektrisch veld over de schakeling krijgen de vrije elektronen die migreren vanuit de emitterregio kinetische energie. De baseregio is zo dun dat de vrije elektronen die vanuit de emitter komen, niet voldoende tijd hebben om te recombineren en dus oversteken ze de achterwaarts gebiaseerde depletiezone en komen uiteindelijk in de collectorzone terecht. Aangezien er een achterwaartse barrière aanwezig is over de base-collector-schakeling, zal deze de stroom van vrije elektronen van de basis naar de collector niet hinderen, omdat de vrije elektronen in de baseregio minoritaire dragers zijn.

Op deze manier stromen elektronen van de emitter naar de collector en begint de stroom van de collector naar de emitter te stromen. Omdat er weinig gaten aanwezig zijn in de baseregio, zullen sommige elektronen die vanuit de emitterregio komen, recombineren met deze gaten en bijdragen aan de basisstroom. Deze basisstroom is aanzienlijk kleiner dan de collectortoemitterstroom.

Sommige elektronen van de emitter dragen bij aan de basisstroom, terwijl de meeste door de collector gaan. De emitterstroom is het totaal van de basis- en collectorstroom. Dus de emitterstroom is de som van de basis- en collectorstroom.

Laten we nu de toegepaste basisspanning verhogen. In deze situatie komt door de verhoogde voorwaartse spanning over de emitter-baseschakeling evenredig meer vrije elektronen vanuit de emitterregio naar de baseregio met meer kinetische energie. Dit veroorzaakt een evenredige toename van de collectorstroom. Op deze manier kunnen we door een klein basisignaal te controleren, een aanzienlijk groter collectorsignaal controleren. Dit is het basiswerkprincipe van een transistor.