Как протекает ток от эмиттера через базу к коллектору в транзисторе NPN?

Как объясняется в ответе Wandering Logic, электроны вводятся от эмиттера к базе, когда этот переход смещен в прямом направлении. Каждый такой электрон постигнет одну из двух судеб: либо он рекомбинирует с дыркой в ​​базовой области (за время рекомбинации$\tau_r$, более или менее), вносящий вклад в базовый ток$I_b$, или он уносится в коллектор электрическим полем в переходе коллектор-база с обратным смещением (за время дрейфа$\tau_d$), внося вклад в ток коллектора$I_c$.

На самом деле коэффициент усиления транзистора по току равен$I_c/I_b = \beta = \tau_r/\tau_d$, так как столько электронов попадает в коллектор на каждый, который рекомбинирует в базе. Хитрость в создании хорошего транзистора состоит в том, чтобы максимизировать это соотношение; отсюда тонкость базовой области.

Грубо говоря, здесь работают два разных процесса: диффузия и дрейф. Дрейф - это движение заряженных частиц, вызванное полем (либо приложенным напряжением, либо полем в обедненной области). Диффузия зависит от ширины обедненной области. Дрифта нет. Дрейф зависит от числа неосновных носителей заряда вблизи краев обедненной области. Даже без приложенного напряжения в обедненной области есть поле.

Вот изображение из раздела 5.2 очень красивого набора заметок Барта Ван Зегбрука из Университета Колорадо :

_{(источник: Барт на ecee.colorado.edu )}

Когда вы смещаете переход база-эмиттер в прямом направлении, вы получаете большой диффузионный ток, протекающий от базы к эмиттеру. (красной стрелкой отмечено$I_{E,n}$и синей стрелкой обозначено$I_{E,p}$). Вы смещаете переход база-коллектор в обратном направлении, что почти полностью отключает диффузионный ток от базы к коллектору, но дрейфовый ток от коллектора к базе пропорционален количеству электронов вблизи края обедненной области на стороне базы.

Эмиттер инжектирует электроны в базу посредством диффузии. Если база достаточно узкая, электроны не успеют рекомбинировать с дырками в базе. (Рекомбинация обозначена$I_{r,B}$на картинке.) Так что будет избыток электронов на краю обедненной области между базой и коллектором. Дрейфовый ток уносит эти электроны в коллектор. Так вы получите большой дрейфовый ток от коллектора к базе.

Переход база-эмиттер представляет собой «просто диод», поэтому диффузионный ток через переход база-эмиттер экспоненциально связан с напряжением между эмиттером и базой по уравнению диода:$I \approx I_s (e^{V_{BE}/V_T}-1)$, где$I_s$является константой, основанной на материалах и легировании и$V_T$тепловое напряжение (около 26 мВ при комнатной температуре). Количество тех электронов, которые достигают обедненной области база-коллектор, зависит от ширины базы и скорости рекомбинации дырок и электронов в базе. Ток дрейфа (я думаю) линейно пропорционален количеству электронов, которым удается достичь края обедненной области. Таким образом, разумным первым приближением является то, что ток от эмиттера к коллектору экспоненциально пропорционален напряжению между эмиттером и базой.

Практические биполярные транзисторы на самом деле являются транзисторами N+/P/N, так что диффузионный ток от базы к эмиттеру почти полностью состоит из электронов от эмиттера к базе, а не от дырок от базы к эмиттеру.

Вы также можете найти этот вопрос physics.stackexchange актуальным.