Hvordan fungerer en transistor?
Hvordan fungerer en transistor?
Transistordefinisjon
En transistor er definert som et halvlederapparat som brukes til å forsterke eller skifte elektroniske signaler.
Det finnes ulike typer transistorer, men vi fokuserer her på NPN-transistoren i vanlig emittormodus. Denne typen har en sterkt doped og bred emittorsone, som inneholder mange frie elektroner (mangfoldige bærere).
Samlerregionen er bred og moderat doped, så den har færre frie elektroner enn emitteren. Baseregionen er veldig tynn og lett doped, med et lite antall hull (mangfoldige bærere). Nå kobler vi en batteri mellom emitter og samler. Emitterkontakten til transistoren er koblet til den negative kontakten av batteriet. Dermed blir emitter-baseforbindelsen forpolert, og base-samlerytelsen blir motpolert. I denne situasjonen vil ingen strøm flyte gjennom apparatet. Før vi går over til den faktiske operasjonen av apparatet, la oss gjenkalte konstruksjonell og dopingsdetaljer for en NPN-transistor. Her er emitterregionen bredere og veldig sterkt doped. Derfor er konsentrasjonen av mangfoldige bærere (frie elektroner) i denne regionen av transistoren svært høy.
Baseregionen, derimot, er veldig tynn, det ligger i området noen mikrometer, mens emitter- og samlerregionene ligger i millimeterområdet. Dopingen av midtre p-type laget er veldig lav, og dermed er det et svært lite antall hull til stede i dette området. Samlerregionen er bredere, som vi allerede har nevnt, og dopingen her er moderat, og dermed er det et moderat antall frie elektroner til stede i dette området.
Spenningsfallet mellom emitteren og samlern faller på to steder. Først har emitter-baseforbindelsen en forpolert barrierepotensial på omtrent 0,7 volt i silisiumtransistorer. Resten av spenningen faller over base-samlerytelsen som en motpolert barriere.
Uansett hvilken spenning som er over apparatet, vil det forpolerte barrierepotensialet over emitter-baseforbindelsen alltid være 0,7 volt, og resten av kildestrømmen falles over base-samlerytelsen som motpolert barrierepotensial.
Dette betyr at samlerspenningen ikke kan overkomme det forpolerte barrierepotensialet. Så de frie elektronene i emitteren kan ikke krysse inn i basen. Som et resultat oppfører transistoren seg som en avslukket bryter.
NB: – Da transistoren ikke fører noen strøm i teorien under disse forholdene, vil det ikke være noen spenningsfall på den eksterne motstanden, og dermed vil hele kildespenningen (V) falles over forbindelsene som vist i figuren ovenfor.
La oss nå se hva som skjer hvis vi legger på positiv spenning ved basekontakten til apparatet. I denne situasjonen får base-emitterforbindelsen individuelt forpolert spenning, og selvfølgelig kan det overkome det forpolerte potensialbarrieren, og dermed vil de fleste bærerne, altså de frie elektronene i emitterregionen, krysse forbindelsen og komme inn i baseregionen, hvor de får få antall hull å rekombinere med.
Men på grunn av elektrisk felt over forbindelsen, får de frie elektronene som migrerer fra emitterregionen kinetisk energi. Baseregionen er så tynn at de frie elektronene som kommer fra emitteren ikke får nok tid til å rekombinere, og dermed krysser de den motpolerte uttynningssonen og endelig kommer til samlerzonen. Ettersom det er en motpolert barriere over base-samlerytelsen, vil den ikke forhindre flyt av frie elektroner fra base til samler, da de frie elektronene i baseregionen er mindretalsbærere.
På denne måten flyter elektroner fra emitter til samler, og dermed begynner strømflyt fra samler til emitter. Ettersom det er få hull i baseregionen, vil noen av elektronene som kommer fra emitterregionen rekombinere med disse hullene og bidra til basestrøm. Denne basestrømmen er mye mindre enn samler til emitterstrøm.
Noen elektroner fra emitter bidrar til basestrømmen, mens de fleste går gjennom samleren. Emitterstrømmen er summen av base- og samlerstrømmene. Så emitterstrømmen er summen av base- og samlerstrømmene.
La oss nå øke den påførte basespenningen. I denne situasjonen, på grunn av den økte forpolerte spenningen over emitter-baseforbindelsen, vil proporsjonalt flere frie elektroner komme fra emitterregionen til baseregionen med mer kinetisk energi. Dette fører til en proporsjonal økning av samlerstrømmen. På denne måten, ved å kontrollere et lite basesignal, kan vi kontrollere et ganske stort samlersignal. Dette er den grunnleggende arbeidsprinsippet for en transistor.
