Leistungselektronik - BJT
Ein Bipolar Junction Transistor (BJT) ist ein Transistor, dessen Betrieb vom Kontakt zweier Halbleiter abhängt. Es kann als Schalter, Verstärker oder Oszillator fungieren. Es ist als Bipolartransistor bekannt, da für seinen Betrieb zwei Arten von Ladungsträgern (Löcher und Elektronen) erforderlich sind. Löcher bilden die dominanten Ladungsträger in Halbleitern vom P-Typ, während Elektronen die Hauptladungsträger in Halbleitern vom N-Typ sind.
Symbole eines BJT
Struktur eines BJT
Ein BJT hat zwei PN-Übergänge, die hintereinander verbunden sind und sich einen gemeinsamen Bereich B (Basis) teilen. Dies stellt sicher, dass Kontakte in allen Regionen hergestellt werden, die Basis, Kollektor und Emitter sind. Die Struktur eines PNP-Bipolartransistors ist unten gezeigt.
Das oben gezeigte BJT besteht aus zwei Dioden, die hintereinander geschaltet sind, was zur Erschöpfung der als quasi-neutral bezeichneten Bereiche führt. Die quasi-neutrale Breite von Emitter, Basis und Kollektor ist oben als W E ', W B ' und W C 'angegeben. Sie werden wie folgt erhalten:
$$ W_ {E} ^ {'} = W_ {E} -X_ {n, BE} $$ $$ W_ {B} ^ {'} = W_ {B} -X_ {p, BE} -X_ {p , BC} $$ $$ W_ {C} ^ {'} = W_ {C} -X_ {n, BC} $$Die herkömmlichen Vorzeichen der Ströme für Emitter, Basis und Kollektor werden mit I E , I B bzw. I C bezeichnet. Daher sind der Kollektor- und Basisstrom positiv, wenn ein positiver Strom auf den Kollektor- oder Basiskontakt trifft. Außerdem ist der Emitterstrom positiv, wenn der Strom den Emitterkontakt verlässt. So,
$$ I_ {E} = I_ {B} + I_ {C} $$Wenn eine positive Spannung an den Basiskontakt relativ zu Kollektor und Emitter angelegt wird, werden die Basis-Kollektor-Spannung sowie die Basis-Emitter-Spannung positiv.
Der Einfachheit halber wird angenommen, dass V CE Null ist.
Die Diffusion von Elektronen erfolgt vom Emitter zur Basis, während die Diffusion von Löchern von der Basis zum Emitter erfolgt. Sobald die Elektronen den Bereich mit abgereichertem Basiskollektor erreichen, werden sie von einem elektrischen Feld durch den Bereich gespült. Diese Elektronen bilden den Kollektorstrom.
Wenn ein BJT im aktiven Vorwärtsmodus vorgespannt wird, wird der Gesamtemitterstrom durch Addieren des Elektronendiffusionsstroms ( I E, n ), des Lochdiffusionsstroms ( I E, p ) und des Basisemitterstroms erhalten.
$$ I_ {E} = I_ {E, n} + I_ {E, p} + I_ {r, d} $$Der gesamte Kollektorstrom ergibt sich aus dem Elektronendiffusionsstrom ( I E, n ) abzüglich des Basisrekombinationsstroms ( I r, B ).
$$ I_ {C} = I_ {E, n} -I_ {r, B} $$Die Summe des Basisstroms I B wird durch Addition des Lochdiffusionsstroms ( I E, p ), des Basisrekombinationsstroms ( I r, B ) und des Basis-Emitter-Rekombinationsstroms der Verarmungsschicht ( I r, d ) erhalten.
$$ I_ {B} = I_ {E, p} + I_ {r, B} + I_ {r, d} $$Transportfaktor
Dies ist gegeben durch das Verhältnis des Kollektorstroms und des Emitterstroms.
$$ \ alpha = \ frac {I_ {C}} {I_ {E}} $$Unter Anwendung des Kirchhoffschen Stromgesetzes wird festgestellt, dass der Basisstrom durch die Differenz zwischen dem Emitterstrom und dem Kollektorstrom gegeben ist.
Stromgewinn
Dies ist gegeben durch das Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom.
$$ \ beta = \ frac {I_ {C}} {I_ {B}} = \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$Das Obige erklärt, wie ein BJT eine Stromverstärkung erzeugen kann. Der Transportfaktor (α) nähert sich eins, wenn der Kollektorstrom fast dem Emitterstrom entspricht. Die Stromverstärkung (β) wird somit größer als eins.
Zur weiteren Analyse wird der Transportfaktor (α) als Produkt der Emittereffizienz (γ E ), des Basistransportfaktors (α T ) und des Rekombinationsfaktors der Verarmungsschicht (δ r ) umgeschrieben . Es wird wie folgt umgeschrieben -
$$ \ alpha = \ gamma _ {E} \ times \ alpha _ {T} \ times \ delta _ {r} $$Das Folgende ist eine Zusammenfassung der diskutierten Emittereffizienz, des Basentransportfaktors und des Rekombinationsfaktors der Verarmungsschicht.