晶体管中的空穴流?

电器工程 晶体管 bjt 电子
2022-01-22 05:25:02

据说双极晶体管具有电子流和空穴流。可以理解电子的运动,但空穴是原子/晶体结构的固定部分。我们如何描述他们的运动?

4个回答

空穴是电子可能存在但目前不存在的空间。就像宏观世界中的任何一个洞一样,你不能移动一个;这是缺席。你所能做的就是填补这个洞,这会在其他地方创造一个新的洞。我们可以在某些方面将其建模为一个假想的粒子,它与电子的流动方向相反(因此与电流的方向相同),但没有实际的粒子朝那个方向移动。像大多数模型一样,它是一种方便的虚构,使数学变得更容易。

一个很好的思考方式是想象一个倾斜的坡道,坡道的斜坡上有一个满是弹珠的凹槽。当你移除底部的弹珠时,后面的堆栈全部向下移动,堆栈顶部会出现一个洞。

虽然在晶体中电荷携带机制确实是电子,但空穴不仅仅是概念上的占位符。所有方程都适用于空穴和电子,您可以进行计算并确定空穴的有效质量和空穴的迁移率(在 Si 中比电子慢约 2.5 倍)。所以你不应该把它们不真实的事实等同于它们没有真正的效果。

像这样:

A BCDEFG
 ^ here is a hole between two letters

现在看它“移动”:

AB CDEFG (Actually, B moved left)
ABC DEFG (C moved left)
ABCD EFG
ABCDE FG
ABCDEF G

这些洞实际上并没有移动,但看起来就是这样。当一个电子移动时,一个空穴会关闭,而另一个空穴会在附近打开。

每当一个字母向左移动一个空格时,一个孔也会向右移动一个空格。我们可以把这种情况看作是字母向左移动,或者孔洞向右移动。它是等价的。

请注意,在电子产品中,电流通常被描述为正电荷的流动,从处于更正电压的节点流向处于更负电压的节点。这称为常规电流但实际电流实际上由从负到正的电子组成。这种反转无关紧要,因为电流只是一种数学抽象。所有描述设备行为的方程都可以正常工作。

早在原子结构为人所知之前,科学家就任意给电荷分配了“正”和“负”标签。所以后来才发现,实际上通过导体的电荷是被标记为“负”的电荷。

半导体、二极管和晶体管

电子和空穴

让我们想象一排硬币排成一排,触碰着桌子。将右手端便士向右移动一便士的宽度,留下一个间隙。然后继续将便士移动到间隙左侧的空间中。当你继续时,所有的硬币都向右移动了,而差距已经从桌子上移到了左边。现在把硬币想象成电子,你可以看到电子在半导体上单向移动会导致空穴向相反方向移动。

为了扩展类比,我们可以使用一小堆便士,所以在洞向左移动之前必须向右移动很多。或者我们可以有几个便士和很大的空间,这样当稀疏的便士穿过宽阔的间隙时,洞就可以轻松移动。这两种情况模拟了两种形式的掺杂硅,添加了大量电子,我们有 N 型,大量空穴(电子移除),我们有 P 型。这些类型是通过将硅与少量其他金属混合(掺杂)来实现的。

由于电子必须在半导体的原子中挣扎,它的电阻率相对较高。早期的半导体使用锗,但除了特殊情况,现在硅是普遍的选择。

铜线可以想象成有一大堆便士电子,它们都靠得很近,所以电流是这些堆顶部的几个便士的运动,根本不产生孔。众所周知,有这么多可用于电流的电阻率,电阻率很低。

二极管

最常见的半导体二极管(还有其他特殊类型)在 N 型和 P 型之间有一个结。如果对二极管施加电压,N 型端为正,另一端为负,则电子全部被拉到正端,在负端留下空穴。中间几乎没有任何电子,几乎没有电流可以流动。二极管“反向偏置”

反方向施加电压时,N 型端为负,P 型端为正,电子被吸引到中间并可以交叉抵消 P 型中的空穴,并流出到连接线。在另一端,负电压端,电子被排斥到二极管的中间,被那些从电线中涌入的电子所取代,因此总体上电流可以很容易地流动:二极管是正向偏置的。

二极管的连接称为“阳极”,当二极管正向偏置时,它是正端,而“阴极”是负端。我记得这些与阀门的相同术语类比,它需要在阳极处有一个高正电压(HT 表示“高压” - 保持你的手指离开)以使电流流动。正向偏置二极管极性的一个很好的助记符可能是 PPNN:“正极、P 型、N 型、负极”。

变容二极管利用了这样一个事实,即正负两个分开的电荷区域构成一个粗电容器。因此,当反向偏置时,专门设计的二极管可以利用这一点。施加的电压将电荷分开,在触点之间形成“耗尽层”。增加施加的反向电压会使该层变厚,从而降低容量,反之亦然。变容二极管通常用于调谐电路以改变频率,取代了在阀门时代使用的叶片电容器。

双极晶体管

双极晶体管是一种其工作依赖于电子和空穴的晶体管。它包括两个背靠背共用一个公共中心层的二极管。一个外部端子是集电极 C,另一个是发射极 E。中央连接是 Base B,它是 CB 和 BE 二极管的一部分。所以我们有一个三层三明治。在正常使用中,C 和 B 之间的二极管是反向偏置的,因此,如果没有 BE 二极管及其影响,就不会有电流流动,因为所有电子都被拉到 CB 部分的一端,而空穴另一端,如在二极管中,由施加的电压。

BE 二极管正向偏置,因此电流可以流动,并且外部电路设置为将其限制在一个相当小的值,但仍有大量空穴和电子流过基极和发射极。

现在聪明一点。基极上的 CB 和 BE 二极管的公共连接非常薄,因此 BE 部分中的大量电子和空穴取代了反向集电极电压已拉走的那些,电流现在可以流过这个 CB 二极管反向,然后通过正向偏置 BE 结到发射极并输出到外部电路。

我认为很明显,您不能通过背靠背焊接两个二极管来制造晶体管,该动作需要密切共享硅内部的薄层。

集电极电流取决于基极电流的流动,晶体管的设计使得 BE 二极管中的小电流为 CB 结中的更大电流开辟了道路。因此我们有电流放大。使用外部电阻器上的电压降,可以将其转换为电压放大。

这些晶体管被称为“双极”,因为它们实际上有两个结。

我小心地避免提及 CB 和 BE 二极管中的材料类型,两者的想法是相同的,我们可以将 NPN 或 PNP 作为可能的层。符号中的箭头表示常规集电极电流的方向(与电子流动相反),指向所施加 CE 电压的负侧方向,因此电流是“从 P 流出并流入 N”发射器”。

场效应晶体管,或 FET

FET 有许多不同的设计,这是对它们基本原理的非常简单的看法。

这些是“单极”晶体管,尽管该术语不常用,因为它们的操作仅取决于电子和电场,而不是空穴。

在这里,我们有一个掺杂硅块,即“通道”,两侧有相反类型的块,或者作为一个环绕的环。所以我们只有一个二极管结,称为Gate G,位于块或环与通道之间。通道充当电阻器,电流从一端(源极 S)流向另一端漏极 D。栅极和通道之间的结是反向偏置的,因此没有电流流过,但会建立一个电场将电荷、电子或空穴拉到通道的两侧,使 SD 电流的可用空间减少。因此,我们的 SD 电流由栅极上的电压控制。

请注意,这是一个电压控制器件,几乎没有电流流入或流出栅极。想想欧姆定律:电阻 = 伏特/安培,我们看到非常低的电流意味着非常高的电阻,因此据说 FET 具有非常高的输入阻抗——它比双极的主要优势,其中,相比之下,通过基极发送电流所需的电压很小,因此输入阻抗较低