Почему Vbe постоянная 0,7 для транзистора в активной области?

Я собираюсь взять пример простого усилителя с общим излучателем . Забудьте о смещении и вещах на данный момент, но сосредоточьтесь на сути этой схемы. Как я понимаю, напряжение между базовым узлом и узлом эмиттера изменяется, что в конечном итоге усиливается транзистором, в результате чего инвертированный (усиленный вариант) исходного сигнала появляется в узле коллектора.

Прямо сейчас я работаю над книгой; Седра / Смит, Микроэлектроника.

На протяжении всей этой главы я работаю через, он говорит , что в активной области, Vbe считается 0.7V . Это просто не имеет смысла для меня, как Vbe может оставаться постоянным, когда оно само является входной переменной для каскада усилителя? Это могло бы иметь смысл для меня, если бы я смотрел на ступень CE с резистором эмиттера (вырождение эмиттера), где оставшееся напряжение могло падать на резисторе. Но это не тот случай, поэтому просветите меня!

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Инвертирование уравнения тока коллектора:

выходы:

Например, пусть

С этими значениями найдите, что

Теперь удвоите ток коллектора и найдите, что

Увеличение тока коллектора на 100% только увеличило напряжение базы-эмиттера на 2,45%

Таким образом, в то время как это не правда , что напряжение база-эмиттер является постоянным, это не плохое приближение считать его постоянным в относительно широком диапазоне тока коллектора.

Vbe в кремниевом транзисторе, действует как кремниевый диод. Падение прямого напряжения после прохождения определенного количества тока резко возрастает. Увеличение тока делает незначительную разницу Vf в этой точке.

Обратите внимание, что Vf отличается для германиевых диодов и транзисторов, естественно.

Модель Эберса-Молла для тока эмиттера в биполярном транзисторе имеет вид:

$I_e \approx I_{es} e^{\frac{V_{be}}{V_t}}$

$I_e$$V_t\ \approx 26mV$$V_{be}$$I_{es} = 10^{-12}$ (в типичном диапазоне для кремниевого устройства с малым сигналом) рассмотрим следующий график Вольфрама Альфа приведенного выше уравнения:

Участок Эберс-Молл

$V_{be}$ в диапазоне от 0,55 до 0,7 вольт ток через транзистор имеет чрезвычайно широкий диапазон - от микроампер на нижнем конце до усилителя на верхнем конце. Это связано с экспоненциальным поведением главного уравнения.

$V_{be}$$V_{be}$ было значительно меньше только крошечной ток будет проходить через транзистор, и если бы он был намного больше, транзистор должен был бы пропускать амперы тока, что физически невозможно для такого устройства.

$V_{be}$ конкретного устройства малого сигнала кремния в конкретной цепи должна быть в этом диапазоне , если он находится в активной области, но фактическое значение будет зависеть от специфики схем, параметров устройства, температуры и других факторов.

$V_{be}$$V_{be}$

Уровень Ферми - это средняя энергия подвижных электронов (или дырок) в полупроводниковом материале. Уровни Ферми выражаются в электрон-вольтах (эВ) и могут рассматриваться как представляющие напряжение, наблюдаемое электронами.

Собственный кремний (и германий) имеет уровень Ферми на полпути между верхним краем валентной зоны и нижним краем зоны проводимости.

Когда вы добавляете кремний в P-тип, вы добавляете много дырок. Теперь у вас есть намного больше доступных состояний несущих вблизи вершины валентной зоны, и это толкает уровень Ферми вниз к краю валентной зоны. Точно так же, когда вы допингуете N-тип, вы добавляете много электронов, что создает гораздо больше доступных состояний носителей вверх вблизи зоны проводимости и подталкивает уровень Ферми близко к краю зоны проводимости.

Для уровней легирования, обычно обнаруживаемых в переходе база-эмиттер, разница уровней Ферми между сторонами P и N составляет около 0,7 электрон-вольт (эВ). Это означает, что электрон, путешествующий от N к P, сбрасывает 0,7 эВ энергии (в форме фотона: это то место, где светоизлучающие диоды получают свет: материалы и легирование выбираются таким образом, чтобы разность уровней Ферми на стыке дает фотоны на желаемой длине волны, что определяется уравнением Планка). Аналогично, электрон, движущийся от P к N, должен где-то набрать 0,7 эВ.

Короче говоря, Vbe - это, по сути, разница между уровнями Ферми по обе стороны соединения.

Это материал Semiconductors 101, в котором вы должны понять это, прежде чем идти дальше. Тот факт, что он равен 101, НЕ означает, что он прост или легок: требуется два семестра исчисления, два семестра химии, два семестра физики и семестр дифференциальных уравнений, чтобы заложить необходимые предпосылки для теории полупроводников. класс, который объясняет все вышеизложенное в мрачных деталях.

$V_{BE} = 0.7V$

$V_{BE}$

Хороший вопрос. Часто цитируемый Vbe 0,7 В является лишь приблизительным. Если вы измерите Vbe транзистора, который активно усиливает, на мультиметре будет показано значение Vbe 0,7 В или около того, но если вы сможете увеличить этот 0,7, как вы можете с помощью осциллографа, вы увидите небольшие изменения вокруг него. таким образом, в любой момент времени это может быть 0,6989 В или 0,70021 В, поскольку входной сигнал, который находится на этом смещении - тот, который вы хотите усилить - колеблется вокруг этой точки смещения.

$v_{BE}$$v_{BE}$$v_{ce}$

$v_{BE}$$V_{BE}$$v_{BE}=V_{BE} + v_{be}$$V_{BE}$$0.7V$$v_{be}$

Ваш вопрос отлично.

Только теоретически транзисторы полностью закрыты для любого Ube <0,7 В и полностью открыты для любого Ube> = 0,7 В. В некоторых транзисторах малой мощности этот идеализированный Ube может быть 0,6 В или 0,65 В.

На практике Ube может варьироваться от 0 В до 3 В даже больше для мощных транзисторов. На практике транзисторы слегка открываются для любого Ube> 0 и продолжают увеличивать свою открытость с увеличением Ube.

Однако, как уже упоминалось, зависимость Ice или, лучше сказать, Rce от Ube является сильно нелинейной после данной точки, и, таким образом, увеличение Ice не приводит к огромному увеличению Ube, но все же есть.

Ниже 0,7 В увеличение Ice может быть несколько линейным, и это зависит от транзистора.

Максимальное значение Ube при максимальном значении Ice легко составляет от 2,5 В до 3 В для транзисторов с большой мощностью, а значение Ice превышает 25 А.

Одно можно сказать наверняка: в аналоговых приложениях, безусловно, следует учитывать зависимость Ice от Ube, в основном для транзисторов большой мощности или высокого тока.

Взгляните на 2N5302, у которого Ube = 3 В, на Ice = 30 А и Uce = 4 В.

В конце этой публикации вы узнаете, как рассчитать коэффициент усиления биполярного напряжения.

Давайте рассмотрим таблицу Vbe против тока коллектора для воображаемого биполярного:

VBE Ic

0,4 1 мкА

0,458 10 мкА Обратите внимание, что на 58 мВ больше Vbe дает ровно в 10 раз больше тока.

0,516 100 мкА

0,574 1 мА

0,632 10 мА

0,690 100 мА [транзистор ГОРЯЧИЙ, поэтому ток может разогнаться и расплавить транзистор (известная опасность, что биполяры смещены при постоянном базовом напряжении)]

0,748 1АМ-транзистор ГОРЯЧИЙ

0,806 Транзистор 10А ГОРЯЧИЙ

Можем ли мы на самом деле управлять биполярным транзистором с током коллектора от 1 мкА до 10 А? Да, если это силовой транзистор. И при более высоких токах эта точная таблица - показывающая на 58 милливольт больше Vbe производит в 10 раз больше тока - теряет точность, потому что объемный кремний имеет линейное сопротивление, и кривые трассеры это покажут.

Как насчет изменений менее 58 мВ? Vbe Ic 0,2 вольт 1 наноампер (приблизительно 3 коэффициента 58 мВ ниже 1 мкА при 0,4 В) 0,226 2,718 наноампер (физика 0,026 В дает E ^ 1 больше I) 0,218 2 000 наноампер 0,236 4 000 наноампер 0,254 8 000 наноампер (вы найдете N * 18 мВ в опорных напряжениях)

ОК, достаточно таблиц. Рассмотрим биполярный транзистор, аналогичный вакуумным трубкам или полевым МОП-транзисторам ..................., в качестве трансдукторов, где изменения входного напряжения вызывают изменения выходного тока.

Биполяры очень удобны в использовании, потому что мы точно знаем, какова проводимость для любого биполярного, если мы знаем ток коллектора постоянного тока (то есть без входного сигнала переменного тока).

Для краткости мы помечаем это «gM» или «gm», потому что в базах данных вакуумных трубок используется переменная «взаимная трансдуктивность», чтобы объяснить, как напряжение сетки контролировало ток пластины. Мы можем почтить Ли де Фореста, используя для этого gm.

Гм биполярного при 25 градусах Цельсия и зная, что kt / q составляет 0,026 В, составляет -------> Ic / 0,026, а если ток коллектора составляет 0,026 А (26 мА), то ГМ составляет 1 А за вольт.

Таким образом, 1 милливольтный ПП на базе вызывает переменный ток ПП коллектора на 1 миллиампер. Игнорирование некоторых искажений, которые вы можете предсказать, используя серию Тейлора. Или работы Барри Гилберта по IP2 и IP3 для биполярных.

Предположим, у нас есть резистор 1 кОм от коллектора до +30 Вольт, несущий 26 мА. Vce составляет 30 - 1K * 26ma = 30 - 26 = 4 вольт, поэтому биполярный находится в «линейной» области. В чем наша выгода?

Усиление составляет gm * Rcollector или 1 ампер / вольт * 1000 Ом или Av = 1000x.

Ваш вопрос:

Как может Vbe оставаться постоянным, если оно само является входной переменной для каскада усилителя?

Ответ прост: ну, это не так:

1. $V_{BE}$не остается строго постоянным в активной области, но для анализа постоянного тока схемы мы можем смело предположить, что это так. Большинство ответов на ваш вопрос были сосредоточены на разработке (довольно хорошо) физического объяснения этому предположению. Тем не менее, я думаю, что вы ищете что-то еще
2. $V_{BE}$ может быть вашей «входной переменной», но с точки зрения BJT важно $I_b$, Помните: BJT - это усилитель тока . Конечно, вы можете получить усиление напряжения, но только после правильного смещения и нагрузки .

Но сейчас я попытаюсь ответить на то, что, как я считаю, является вашим настоящим сомнением. Я думаю, что вы путаете концепцию от анализа постоянного тока и анализа слабых сигналов схемы.

То, что вы называете «входной переменной», фактически имеет компонент AC поверх компонента DC:

Компонент DC существует только для смещения базы. Это «постоянная$V_{BE}$«Вы имеете в виду. НО (и это важная часть), компонент переменного тока - это сигнал, который мы действительно хотим усилить. И, конечно, он не является постоянным вообще.

Я думаю, что теперь вы можете видеть, откуда возникло ваше замешательство. Не волнуйтесь, это довольно распространенная путаница. Я всегда думал, что большинство учителей и книг не очень хорошо объясняют, как мыслить с точки зрения анализа DC по сравнению с анализом небольших сигналов, и какие предположения следует применять в каждом из них.

Подводя итог всего этого:

1. При анализе цепи постоянного тока мы игнорируем сигнал переменного тока (фактически мы устанавливаем его на ноль) и предполагаем, $V_{BE}$быть постоянным при 0,7 В. Если мы хотим быть более точными, мы можем вычислить фактическое$V_{BE}$ значение в соответствии с фактическим $I_b$, Это установит точку покоя усилителя (значения постоянного тока, вокруг которых колеблются сигналы переменного тока).

2. При анализе цепи небольшого сигнала мы игнорируем напряжения постоянного тока (на самом деле мы устанавливаем их все на ноль) и просто фокусируемся на сигнале переменного тока, который не является постоянным. Обратите внимание, как$R_c$ заземляется на схеме ниже, потому что $V_{cc}$был установлен на ноль для целей анализа. Также обратите внимание на тонкость: сигнал переменного тока часто называют$v_{BE}$тогда как смещение постоянного тока $V_{BE}$,

Примечание: вы можете найти источник для диаграммы выше здесь .