Какой проводимости бывают транзисторы: Какой проводимости бывают транзисторы

Что такое транзистор, виды транзисторов и их обозначение

Транзисторы — полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. Наиболее распространены так называемые биполярные транзисторы.

Их основа — пластинка монокристаллического полупроводника (чаще всего кремния или германия), в которой с помощью особых технологических приемов созданы, как минимум, три области с разной электропроводностью: эмиттер, база и коллектор.

Электропроводность эмиттера и коллектора всегда одинаковая (р или п), базы — противоположная (п или р). Иными словами, биполярный транзистор (далее просто транзистор) содержит два р-п перехода: один из них соединяет базу с эмиттером (эмиттерный переход), другой — с коллектором (коллекторный переход).

На схемах транзисторы обозначают, как показано на рис. 1,а. Здесь короткая черточка с линией-выводом от середины символизирует базу, две наклонные линии, проведенные к ней под углом 60°, — эмиттер и коллектор.

 Рис. 1. Внешний вид транзисторов, обозначение транзисторов на принципиальных схемах.

Об электропроводности базы судят по символу эмиттера: если его стрелка направлена к базе (рис. 1,а), то это означает, эмиттер имеет электропроводность типа р, а база — типа п; если же стрелка направлена в противоположную сторону (рис. 1,6), электропроводность эмиттера и базы — обратная (соответственно пир).

Поскольку, как уже отмечалось, электропроводность коллектора та же, что и эмиттера, стрелку на символе коллектора не изображают. Знать электропроводность эмиттера, базы и коллектора необходимо для того, чтобы правильно подключить транзистор к источнику питания. В справочниках эту информацию приводят в виде структурной формулы.

Транзистор, база которого имеет проводимость типа п, обозначают формулой p-n-p, а транзистор с базой, имеющей электропроводность типа P, — формулой n-p-n. В первом случае на базу и коллектор следует подавать отрицательное (по отношению к эмиттеру) напряжение, во втором — положительное.

Для наглядности условное обозначение транзистора обычно помещают в кружок, символизирующий его корпус. Корпус нередко изготовляют из металла и соединяют с одним из выводов транзистора. На схемах это показывают точкой в месте пересечения лиши-вывода с символом корпуса (у транзистора, изображенного на рис. 1,в, с корпусом соединен вывод коллектора).

Если же корпус снабжен отдельным выводом, линию-вывод допускается присоединять к кружку без точки (рис. 1,г). С целью повышения информативности схем рядом с позиционным обозначением транзистора обычно указывают его тип.

Линии-выводы, идущие от символов эмиттера и коллектора, проводят в одном из двух направлений: перпендикулярно или параллельно линии-выводу базы (рис. 1,д). Излом этой линии допускается лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (рис. 1,е).

Транзистор может иметь несколько эмиттерных областей (эмиттеров). В этом случае символы эмиттеров обычно изображают с одной стороны символа базы, а кружок-корпус заменяют овалом (рис. 1,ж).

В некоторых случаях ГОСТ 2.730—73 допускает изображать транзисторы и без символа корпуса, например при изображении бескорпуоных транзисторов ИЛ|Ц когда на схеме необходимо показать транзисторы, входящие в так называемые транзисторные сборки или матрицы (их выпускают в тех же корпусах, что и интегральные микросхемы).

 Рис. 2. Транзисторные сборки.

Поскольку буквенный код VT предусмотрен для обозначения транзисторов, выполненных в виде самостоятельных приборов, транзисторы сборок обозначают одним из следующих способов: либо используют код VT и присваивают им порядковые номера наряду с другими транзисторами (в этом случае на поле схемы помещают такую, например, запись: VT1—VT4 К1НТ251), либо берут код аналоговых микросхем DA и указывают принадлежность транзисторов к матрице в позиционном обозначении (рис. 2,а).

У выводов таких транзисторов, как правило, приводят условные номера, присвоенные выводам корпуса, в котором выполнена сборка. Без символа корпуса изображают на схемах и транзисторы аналоговых и цифровых микросхем (для примера на рис. 1,6 показаны транзисторы структуры n-p-n с тремя и четырьмя эмиттерами).

Условные графические обозначения некоторых разновидностей биполярных транзисторов получают введением в основной символ специальных знаков. Так, чтобы изобразить лавинный транзистор, между символами эмиттера и коллектора помещают знак эффекта лавинного пробоя (рис. 3,а). При повороте условного обозначения положение этого знака должно оставаться неизменным.

 Рис. 3. Лавинный транзистор.

Иначе построено обозначение так называемого однопереходного транзистора. У него один р-п переход, но два вывода базы. Символ эмиттера в обозначении этого транзистора проводят к середине символа базы (рис. 3,6). Об электропроводности базы судят по символу эмиттера (все сказанное ранее о транзисторах с двумя р-п переходами полностью применимо и к однрпереход-ному транзистору).

На обозначение однопереходного транзистора похоже условное обозначение довольно большой группы транзисторов с р-п переходом, получивших название полевых. Основа такого транзистора — созданный в полупроводнике и снабженный двумя выводами (исток и сток) канал с электропроводностью n-или p-типа.

Сопротивлением канала управляет третий электрод — затвор, соединенный с его средней частью р-п переходом. Канал полевого транзистора изображают так же, как и базу биполярного транзистора, но помещают в средней части кружка-корпуса , символы истока и стока присоединяют к нему с одной стороны, затвора — с другой.

Чтобы не вводить каких-либо знаков для различения символов истока и стока, затвор изображают на продолжении линии истока. Электропроводность канала указывают стрелкой на символе затвора.

В условном обозначении полевого транзистора с изолированным затворам (его изображают в виде черточки, параллельной символу канала, с выводом на продолжении линии истока) электропроводность канала показывают стрелкой, помещенной между символами истока и стока: если она направлена к символу канала, то это значит, что изображен транзистор с каналом п-типа, а если в противоположную сторону, — с каналом р-типа (рис. 4,а, б).

Рис. 4. Изображение полевых транзисторов на принципиальных схемах.

Аналогично указывают тип электропроводности канала и при наличии вывода от кристалла-подложки (рис. 4,в), а также при изображении полевого транзистора с так называемым индуцированным каналом, символ которого — три короткие штриха (рис. 4,г, д). Если подложка соединена с одним из электродов (обычно с истоком), это соединение показывают внутри символа без точки (рис. 4, е).

В палевом транзисторе может быть несколько затворов. Изображают их в этом случае короткими черточками, причем линию-вывод первого затвора обязательно помещают на продолжении линии истока (рис. 4,ж).

Линии-выводы полевого транзистора допускается изгибать лишь на некотором расстоянии от символа корпуса (рис. 4,з), который может быть соединен с одним из электродов или иметь самостоятельный вывод (рис. 4,ы).

Из транзисторов, управляемых внешними факторами, в настоящее время находят применение фототранзисторы. В качестве примера на рис. 5 показаны условные обозначения фототранзжггоров с выводом базы и без него.

Наряду с другими полупроводниковыми приборами, действие которых основано на фотоэлектрическом эффекте, фототранзисторы могут входить в состав оптронов. Обозначение фототранзистора в этом случае вместе с символом излучателя света (обычно светодиода) заключают в объединяющий их символ корпуса, а знак фотоэффекта заменяют знаком оптической связи — двумя параллельными стрелками.

Рис. 5. Изображение на принципиальных схемах фототранзисторов.

Для примера на рис. 5,а изображена одна из оптопар сдвоенного оптрона К249КП1, о чем говорит позиционное обозначение U1.1. Аналогично строят условное графическое обозначение оптрона с составным транзистором (рис. 5,6).

Литература: В.В. Фролов, Язык радиосхем, Москва, 1998.

ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

   Транзистор — главный компонент в любой электрической схеме. Эта статья именно о них и написана для начинающих радиолюбителей. Транзистор — своего рода усилительный ключ, принцип работы похож на тиристора. Без транзисторов в электронике никак не обойтись, на них собирают буквально все — простейшие мигалки, транзисторные усилители мощности низкой частоты, радиоприемники и передатчики, телевизионная и видео аппаратура и многие другие устройства. Транзисторами можно увеличить или снизить первоначальное напряжения источника питания, если они используются в схемах преобразователей. 

   Сам транзистор — полупроводниковый прибор, в основном кристалл транзистора делают из кремния или германия. Транзисторы бывают двух видов — однополярные и двухполярные, соответственно полевые и биполярные. По проводимости тоже бывают двух видов — транзисторы прямой проводимости (п — н — п) и транзисторы обратной проводимости (н — п — н). Н -П — от латыни негатив и позитив. На схемах легко можно отличить какой проводимости транзистор использован — если стрелка эмиттера входит в транзистор, значит он прямой проводимости, если же выходит из транзистора, значит транзистор имеет обратную проводимость тока.  

   Для работы транзистора на базу подают маленький ток, впоследствии которого транзистор открывается и может пропустить более большой ток через эмиттер — коллектор, то есть подавая сравнительно маленький ток на базу мы можем управлять более большим токам. Иными словами, прилагая лёгкое усилие поворачивая водопроводный кран, мы управляем мощным потоком воды. Транзистор может находится в двух состояниях, он открыт — когда на базу подано напряжение (рабочее состояние транзистора) и закрыт, когда ток не течет на базу (состояние покоя транзистора).

   По рабочей частоте часто всего используют низкочастотные и высокочастотные транзисторы. Низкочастотные транзисторы применяют для силовых цепей преобразователей напряжения, усилителей мощности в блоках питания и так далее. Низкочастотные транзисторы как правило бывают большей мощности. Высокочастотные транзисторы работающие на частотах в несколько гигагерц тоже применяются очень часто. В основном они нашли широкое применения в радиоприёмной и передающей аппаратуре, в усилителях высокой частоты и во многих других приборах. Такие транзисторы имеют сравнительно маленькую мощность, они незаменимы в области радиоприема и передачи.

   Транзисторы бывают самых разных форм и размеров — от невидимого для человеческих глаз чип элементов для поверхностного монтажа, до мегамощных транзисторов размером с дом.

   Последние могут иметь мощность до сотни мегаватт, их в основном используют в электростанциях и на заводах. Для лучшей проводимости тока по контактам транзистора высокой частоты часто наносят тонкий слой золота или серебра, но в последнее время такие транзисторы встречаются очень редко, в основном такие транзисторы использовались в радиоаппаратуре времен советского союза. Новичкам уверен данный материал помог разобраться что к чему и прояснить вопросы по транзисторам — Артур Касьян (АКА).

   Форум по теории

   Форум по обсуждению материала ЧТО ТАКОЕ ТРАНЗИСТОР

Биполярный транзистор автосигнализации

Транзистор — это полупроводниковый прибор, который может усиливать слабые сигналы и управлять большой мощностью при помощи относительно слабых воздействий.

Рисунок 48. Транзистор управляет большим током при помощи малого

Транзистор, в отличие от диода, имеет 3 вывода. У биполярных транзисторов эти выводы называются база, эмиттер и коллектор.

Рисунок 49. Виды корпусов биполярных транзисторов

Состоит биполярный транзистор из кристалла полупроводника (в нем имеются границы сочетания полупроводников с разными типами проводимости), корпуса и металлических выводов, которыми транзистор впаивается в электрическую цепь.

Биполярные транзисторы бывают двух типов — п-р-п и р-п-р.

Рисунок 50. Типы биполярных транзисторов

Р-п-р транзисторы пропускают ток от эмиттера к коллектору, п-р-п — наоборот. В п-р-п транзисторах основные носители заряда — электроны, а в р-п-р — так называемые «дырки», которые менее мобильны (в смысле скорости переноса мощности), соответственно п-р-п транзисторы быстрее переключаются в общем случае.

В сигнализациях StarLine используются современные компактные транзисторы, предназначенные для поверхностного монтажа ( SMD-монтаж)

Рисунок 51. SMD-транзистор

Транзистор проявляет свои усилительные свойства в трех видах основных схем: схема с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Рисунок 52. Схема включения биполярного транзистора «общий эмиттер»

При включении транзистора по схеме ОЭ входной сигнал поступает между базой и эмиттером, а нагрузка включена между коллектором и источником питания. Такая схема является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности (в тысячи раз).

Достоинствами схемы с общим эмиттером являются: большой коэффициент усиления по току и большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление.

Кроме того, для питания схемы требуются два однополярных источника, то есть, на практике можно обойтись одним источником питания.

Единственным серьезным недостатком является худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой.

Рисунок 53. Схема включения биполярного транзистора «общая база»

В схеме ОБ входной сигнал подается на эмиттер и базу, а нагрузка подключается между коллектором и источником питания. Входная цепь транзистора представляет собой открытый эмиттерный переход, поэтому входное сопротивление мало (десятки Ом).

Недостатки схемы: не усиливает ток и для ее питания требуется два разных источника напряжения. Но схема с общей базой имеет хорошие температурные и частотные свойства.

Рисунок 54. Схема включения биполярного транзистора «общий коллектор»

В схеме О К входной сигнал поступает на переход эмиттер-база, проходит через нагрузку, а сама нагрузка подключается к эмиттеру и источнику питания. В этой схеме выходное напряжение равно входному, поэтому она получила название «эмиттерный повторитель». При включении общего коллектора напряжение сигнала не усиливается, а лишь повторяется. При этом эмиттерная нагрузка может быть очень небольшой, выходное сопротивление усилителя измеряется сотнями и даже десятками ом. В то же время входное сопротивление очень большое — сотни килоом и даже мегаомы.

При монтаже автомобильных охранных систем биполярный транзистор чаще всего используется в качестве ключа, который либо заперт (не проводит ток), либо открыт (пропускает ток).

на базу не поступает ток управления — транзистор закрыт, тока нет, лампа не горит на базу поступил ток управления — транзистор открылся, ток пошел, лампа зажглась Рисунок 55. Работа транзистора в качестве ключа

Отпирание или запирание транзистора в режиме ключа происходит при подаче тока на его базу. Например, часто в описании сигнализации пишут «дополнительный канал выполнен по схеме «открытый коллектор». Это значит, что внутри блока сигнализации спрятан биполярный транзистор п-р-п типа, включенный по схеме ОЭ. При срабатывании этого канала на выходе будет появляться масса (через проводящую структуру транзистора), а в исходном состоянии выход ни к чему не подсоединен.

Как правило, выходы, выполненные по схеме «открытый коллектор», допускают небольшой ток нагрузки (до 300 мА). То есть подключить к этому выходу напрямую мощную нагрузку нельзя — оборудование выйдет из строя. Для подключения к такому выходу необходимо использовать дополнительное реле.

Рисунок 56. Схема-подсказка «Транзистор»

Биполярный транзистор

                                     

4.

Основные параметры. (The main parameters)

• Предельные частоты коэффициент передачи тока базы.
• Выходная проводимость. (Output conductance)
• Частоты среза коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером.
• Максимально допустимый ток. (Maximum current)
• Обратный ток коллектор-эмиттер. (Reverse current collector-emitter)
• Обратный ток коллектора. (Reverse collector current)
• Входное сопротивление. (Input impedance)
• На время. (At the time)
• Коэффициент передачи тока. (The current transfer ratio)

Параметры транзистора делятся на первичные и вторичные собственные. собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных параметров:

• R е (р е) — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода.
• Коэффициент усиления тока α.
• Сопротивления эмиттера, коллектора и базы АС r е, r для r B, которые представляют.
• R б (r b) — поперечное сопротивление базы.
• R, чтобы общее сопротивление области коллектора и переход коллектор.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, действительны только для низких частот и малых амплитуд сигналов. для вторичных параметров, то мы предлагаем несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Главная смешиваются гибридных параметров, обозначается буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h 11 = U m1 / I m1 (ч 11 = у М1 / М1), при U m2 = 0 (У метров квадратных = 0).

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля переменного выходного напряжения передается на вход транзистора вследствие обратной связи в нем. во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h 12 = U m1 / U m2 (ч 12 = у М1 / М2), при I m1 = 0.

Коэффициент передачи тока коэффициент усиления тока коэффициент усиления показывает переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки на выходе. ток зависит от входного тока без влияния выходного напряжения.

h 21 = I m2 / I m1 (ч 21 = I метров квадратных / М1), при U m2 = 0 (У метров квадратных = 0).

Проводимости вывода внутренняя проводимость для переменного тока между выходными клеммами. выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h 22 = I m2 / U m2 (ч 22 = I метров квадратных / ч м2), при I m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U m1 = h 11 I m1 (У М1 = ч 11 я М1) + h 12 U m2 (ч у 12 м2), I m2 = h 21 I m1 (Я метров квадратных = ч 21 я М1) + h 22 U m2 (ч 22 ю м2).

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам H-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — схемы в «к» — по схеме ОК.

Схемы оригинального номера: I m1 = I МБ I m2 = I МК U m1 = U (У М1 =) МБ-е, U m2 = U (У метров квадратных =) МК-е. например, по этой схеме:

h 21э = I mк / I mб = β.

О схеме: I m1 = I меня, I m2 = I МК U m1 = U (У М1 =) Мэ б U m2 = U (У метров квадратных =) МК-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h параметров, таких как схемы ОЭ:

h 11 (ч. 11) ∍ = r δ r ∍ 1 − α {\свойства стиль отображения значение ХІ{11\команды backepsilon }=г_{\Дельта } {\фрац {г_{\команды backepsilon }}{1-\Альфа }}},

h 12 (ч. 12) ∍ ≈ r ∍ r κ 1 − α {\свойства стиль отображения значение ХІ{12\команды backepsilon }\ОК {\фрац {г_{\команды backepsilon }}{г_{\каппа }1-\Альфа}}},

h 21 (ч 21) ∍ = β = α 1 − α {\ХІ свойства стиль отображения значение{21\команды backepsilon }=\бета ={\фрац {\альфа }{1-\Альфа }}},

h 22 (ч. 22) ∍ ≈ 1 r (1) κ 1 − α {\ХІ свойства стиль отображения значение{22\команды backepsilon }\ОК {\ГРП {1}{г_{\каппа }1-\Альфа}}}.

С увеличением частоты существенное влияние на работу транзистора начинает оказывать емкость коллекторного перехода C к. его сопротивление уменьшается шунтирование нагрузки и, следовательно, снижение прибыли α и β. сопротивление эмиттерного перехода C Е также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода r е и в большинстве случаев не могут быть проигнорированы. кроме того, на высоких частотах существует дополнительный понижающий коэффициент β в результате сдвиг по фазе тока коллектора от тока фазы излучателя, что обусловлено инерцией движения носителей через базу от amiterno перехода к коллектору и инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе частот, которая представляет собой уменьшение коэффициентов α и β на 3 дБ, называют граничной частоте коэффициент передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

Импульсный ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем носителей через базу. по мере накопления носителей в базе, коллекторный ток увеличивает длительность фронта τ ф. на момент транзистор называется τ о = τ з τ ф.

Открытая Физика. Электронно-дырочный переход.

Транзистор

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа основными носителями свободного заряда являются электроны; их концентрация значительно превышает концентрацию дырок (n_n >> n_p). В полупроводнике p-типа основными носитялеми являются дырки (n_p >> n_n). При контакте двух полупроводников n— и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p— и n-областями запирающее напряжение U_з, приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–p-переходов и 0,6 В для кремниевых.

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p— и n-типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода приведена на рис. 1.14.2.

Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений

Полупроводниковые диоды обладают многими преимуществами по сравнению с вакуумными – малыми размерами, длительными сроками службы, механической прочностью. Существенным недостатком полупроводниковых диодов является зависимость их параметров от температуры. Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапозоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами. Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний. Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p-типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (рис. 1.14.3). В транзисторе n–p–n-типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа (рис.  1.14.4).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Транзистор структуры p–n–p Транзистор структуры n–p–n

Оба n–p-перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рис. 1.14.5 показано включение в цепь транзистора p–n–p-структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).

Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.

Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры

При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток I_э. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, n–p-переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток I_к. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя. При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.

Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения (рис. 1.14.5), то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала. Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.

Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера I_э. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы I_б = I_э – I_к. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят исключительно широкое применение в радиоэлектронике. Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т. д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.

Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см² может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.

Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.

Транзистор

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

На этом занятии Школы начинающего радиолюбителя мы продолжим изучение полупроводников. На прошлом занятии мы рассматривали диоды, а на этом занятии рассмотрим  более сложный полупроводниковый элемент – транзисторы.

Транзистор является более сложной полупроводниковой структурой, чем диод. Он состоит из трех слоев кремния (бывают еще и германиевые транзисторы) с разной проводимостью. Это могут быть структуры типа n-p-n или p-n-p. Функционирование транзисторов, также как и диодов, основывается на свойствах p-n переходов.

Центральный, или средний слой, называют базой (Б), а два других соответственно – эмиттер (Э) и коллектор (К).  Следует отметить, что существенной разницы между двумя типами транзисторов нет, и многие схемы могут быть собраны с тем или другим типом, при соблюдении соответствующей полярности источника питания. На рисунке ниже приведено схемное изображение транзисторов, транзистор p-n-p отличается от транзистора n-p-n направлением стрелки эмиттера:

Выделяют два основных типа транзисторов: биполярные и униполярные, которые различаются по конструктивным особенностям. В рамках каждого типа существует много разновидностей. Главное различие этих двух типов транзисторов заключается в том, что управление процессами, происходящими в ходе работы прибора, в биполярном транзисторе осуществляется входным током, а в униполярном транзисторе – входным напряжением.

Биполярные транзисторы, как уже говорилось выше, представляют собой слоенный пирог из трех слоев. В упрощенном виде транзистор можно представить как два встречно включенных диодов:

(при этом, следует отметить, что переход база – эмиттер представляет собой обычный стабилитрон, напряжение стабилизации которого 7…10 вольт). Исправность транзистора можно проверить также как и исправность диода, обычным омметром, измеряя сопротивление между его выводами. Переходы, аналогичные имеющимся в диоде, существуют в транзисторе между базой и коллектором, а также между базой и эмиттером. На практике такой способ для проверки транзисторов используется очень часто. Если омметр подключить между коллекторным и эмиттерным выводами, прибор покажет разрыв цепи (при исправном транзисторе), что естественно так как диоды включены встречно. А это означает, что при любой полярности приложенного напряжения один из диодов включен в прямом направлении, а второй в обратном, поэтому ток проходить не будет.

Объединение двух пар переходов приводит к проявлению чрезвычайно интересного свойства, именуемого транзисторным эффектом. Если к транзистору между коллектором и эмиттером приложить напряжение, тока практически не будет (о чем и говорилось чуть выше). Если же произвести подключение в соответствии со схемой (как на рисунке ниже), где на базу через ограничивающее сопротивление (чтобы не повредить транзистор) подается напряжение, то через коллектор будет проходить ток более сильный чем ток базы. При повышении тока базы ток коллектора тоже будет увеличиваться.

С помощью измерительного прибора можно определить соотношение токов базы, коллектора и эмиттера. Это можно проверить простым способом. Если сохранить напряжение питания, к примеру на уровне 4,5 В, изменив значение сопротивления в цепи базы с R до R/2, ток базы удвоится, пропорционально увеличится и ток коллектора, к примеру:

U=4,5 В; сопротивление =R	U=4,5 В; сопротивление =R/2
Iб=1 мА	Iб=2 мА
Iэ=100 мА	Iэ=200 мА
Iк=99 мА	Iк=198 мА

Следовательно, при любом напряжение на сопротивление R, ток коллектора будет в 99 раз больше тока базы, то есть транзистор имеет коэффициент усиления по току равный 99. Другими словами, транзистор усиливает ток базы в 99 раз. Этот коэффициент обозначают буквой ?. Коэффициент усиления равен отношению тока коллектора к току базы:

? = Iк/Iб

На базу транзистора можно подать и переменное напряжение. Но, необходимо, чтобы транзистор работал в линейном режиме. Для нормального функционирования в линейном режиме транзистору следует подать на базу постоянное напряжение смещения и подвести переменное напряжение, которое он будет усиливать. Таким образом транзисторы усиливают слабые напряжения, поступающие к примеру с микрофона, до уровня, который способен привести в действие громкоговоритель. Если коэффициент усиления не достаточен, можно использовать несколько транзисторов или их последовательных каскадов. Чтобы при соединении каскадов не нарушать режимов работы каждого из них по постоянному току ( при которых обеспечивается линейность), используют разделительные конденсаторы. Биполярные транзисторы обладают электрическими характеристиками, обеспечивающими им определенные преимущества по сравнению с другими усилительными компонентами.

Как мы уже знаем, существуют еще (кроме биполярных) и униполярные транзисторы. Коротко рассмотрим два их них – полевые и однопереходные транзисторы. Как и биполярные они бывают двух типов и имеют по три вывода:

Электродами полевых транзисторов являются: затвор – З, сток – С, соответствующий коллектору и исток – И, отождествляемый с эмиттером. Полевые транзисторы с n- и p- каналом различаются по направлению стрелки затвора. Однопереходные транзисторы, которые иногда называют двухбазовыми диодами, в основном используются в схемах генераторов импульсных периодических сигналов.

Имеется три фундаментальных схемы включения транзисторов в усилительном каскаде:

?

с общим эмиттером (а)

?

с общим коллектором (б)

?

с общей базой (в)

Биполярный транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, в зависимости от выходного сопротивления источника питания R1 и сопротивления нагрузки Rн усиливает входной сигнал и по напряжению, и по току. Коэффициент усиления биполярного транзистора обозначается как h31э (читается: аш-два-один-э, где э – схема с общим эмиттером), и у каждого транзистора он разный. Величина коэффициента h31э (его полное название – статический коэффициент передачи тока базы h31э) зависит только от толщины базы транзистора (ее изменить нельзя) и от напряжения между коллектором и эмиттером, поэтому при небольшом напряжении (менее 20 В) его коэффициент передачи тока при любом токе коллектора практически неизменен и незначительно увеличивается при увеличении напряжения на коллекторе.

Коэффициент усиления по току – Кус.i и коэффициент усиления по напряжению – Кус.u биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, зависит от отношения сопротивления нагрузки (на схеме обозначено как Rн) и источника сигнала (на схеме обозначено как R1). Если сопротивление источника сигнала в h31э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по напряжению чуть меньше единицы (0,95…0,99), а коэффициент усиления по току равен h31э. Когда сопротивление источника сигнала более чем в h31э раза меньше сопротивления нагрузки, то коэффициент усиления по току остается неизменным (равным h31э), а коэффициент усиления по напряжению уменьшается. Если же, наоборот, входное сопротивление уменьшить, то коэффициент усиления по напряжению становится больше единицы, а коэффициент усиления по току, при ограничении протекающего через переход база-эмиттер транзистора тока, не изменяется. Схема с общим эмиттером – единственная схема включения биполярного транзистора, которая требует ограничения входного (управляющего) тока. Можно сделать несколько выводов: – базовый ток транзистора нужно ограничивать, иначе сгорит или транзистор, или управляющая им схема; – с помощью транзистора, включенного по схеме ОЭ, очень легко управлять высоковольтной нагрузкой низковольтным источником сигнала. Через базовый, а следовательно и коллекторный переходы протекает значительный ток при напряжении база-эмиттер всего 0,8…1,5 В. Если амплитуда (напряжение) больше этого значения – нужно поставить между базой транзистора и выходом управляющей схемы токоограничивающий резистор (R1). Рассчитать его сопротивление можно по формулам:

Ir1=Irн/h31э            R1=Uупр/Ir1    где:

Irн – ток через нагрузку, А; Uупр – напряжение источника сигнала, В; R1 – сопротивление резистора, Ом.

Еще одна особенность схемы с ОЭ – падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзистора можно практически уменьшить до нуля. Но для этого надо значительно увеличивать базовый ток, что не очень выгодно. Поэтому такой режим работы транзисторов используют только в импульсных, цифровых схемах.

Транзистор, работающий в схеме усилителя аналогового сигнала, должен обеспечивать примерно одинаковое усиление сигналов с разной амплитудой относительно некоторого “среднего” напряжения. Для этого его нужно немножко “приоткрыть”, постаравшись не “переборщить”. Как видно из рисунка ниже (левый):

ток коллектора и падение напряжения на транзисторе при плавном увеличении тока базы вначале изменяются почти линейно, и лишь потом, с наступлением насыщения транзистора, прижимаются к осям графика. Нас интересуют только прямые части линий (до насыщения) – очевидно, что они символизируют линейное усиление сигнала, то есть, при изменении управляющего тока в несколько раз во столько же раз изменится и ток коллектора (напряжение в нагрузке).

Форма аналогового сигнала показана на рисунке выше (справа). Как видно из графика, амплитуда сигнала постоянно пульсирует относительно некоего среднего напряжения Uср, причем она может как увеличиваться, так и уменьшаться. Но биполярный транзистор реагирует только на увеличение входного напряжения (вернее тока). Вывод: нужно сделать так, чтобы транзистор даже при минимальной амплитуде входного сигнала был немножко приоткрыт. При средней амплитуде Uср он откроется чуть сильнее, а при максимальной Umax откроется максимально. Но при этом он не должен входить в режим насыщения (см.рис. выше) – в этом режиме выходной ток перестает линейно зависеть от входного, в следствии чего происходит сильное искажение сигнала.

Обратимся снова к форме аналогового сигнала. Так как и максимальная и минимальная амплитуды входного сигнала относительно средней примерно одинаковы по величине (и противоположны по знаку), то нам нужно подать на базу транзистора такой постоянный ток (ток смещения – Iсм), чтобы при “среднем” напряжении на входе транзистор был открыт ровно наполовину. Тогда при уменьшении входного тока транзистор будет закрываться и ток коллектора будет уменьшатся, а при увеличении входного тока он будет открываться еще сильнее.

---

---

ГЛАВА 3. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (ПТ) — это транзисторы, свойства которых совершенно отличаются от свойств рассмотренных в предыдущей главе обычных транзисторов, называемых также биполярными, чтобы подчеркнуть их отличие от ПТ. В расширенном толковании, однако, они имеют много общего, так что их можно определить как приборы, управляемые зарядом. В обоих случаях мы имеем прибор с тремя выводами, в котором проводимость между двумя электродами зависит от наличия носителей заряда, которое в свою очередь регулируется напряжением, приложенным к третьему управляющему электроду.

Теперь о том, чем они отличаются друг от друга. В биполярном n-p-n — транзисторе переход коллектор — база смещен в обратном направлении и обычно ток через него не течет. Подача на переход база — эмиттер напряжения около 0,6 В преодолевает «потенциальный барьер» диода, приводя к поступлению электронов в область базы, где они испытывают сильное притяжение со стороны коллектора. Хотя при этом через базу будет протекать некоторый ток, большинство такого рода «неосновных носителей» захватывается коллектором. Результатом является коллекторный ток. управляемый (меньшим по величине) током базы. Ток коллектора пропорционален скорости инжекции неосновных носителей в базу, которая является экспоненциальной функцией разности потенциалов база — эмиттер (уравнение Эберса-Молла). Биполярный транзистор можно рассматривать как усилитель тока (с огрубленно постоянным коэффициентом усиления h_21э) или как прибор-преобразователь проводимости (Эберс-Молл).

В полевом транзисторе, как следует из его названия, проводимостью канала управляет электрическое поле, создаваемое приложенным к затвору напряжением. Здесь нет прямосмещенных p-n — переходов, так что ток через затвор не течет и это, возможно, наиболее важное преимущество ПТ перед биполярными транзисторами. Как и последние, ПТ бывают двух полярностей: n — канальные (с проводимостью за счет электронов) и p — канальные (с дырочной проводимостью). Эти полярности аналогичны уже известным нам соответственно n-p-n и p-n-p — транзисторам биполярного типа. Однако разнообразие ПТ этим не ограничивается, что может приводить к путанице. Во — первых. ПТ могут изготавливаться с затворами двух различных типов (в результате мы имеем ПТ с p-n — переходом и ПТ с изолированным затвором, так называемые МОП-транзисторы), а во — вторых, — двумя типами легирования канала (что дает ПТ обогащенного и обедненного типа).

Рассмотрим вкратце возможности, предоставляемые ПТ различного типа. Предварим, однако, это рассмотрение несколькими замечаниями общего плана. Наиболее важной характеристикой ПТ является отсутствие тока затвора. Получаемое, как следствие этого, высокое входное полное сопротивление (оно может быть больше 10¹⁴ Ом) существенно во многих применениях и в любом случае упрощает проектирование схем. В качестве аналоговых переключателей и усилителей со сверхвысоким входным полным сопротивлением ПТ не имеют себе равных. Сами по себе или в сочетании с биполярными транзисторами они легко встраиваются в интегральные схемы. В следующей главе мы увидим, насколько успешно это сделано при создании близких к совершенству (и фактически простых в использовании) операционных усилителей, а в гл. 8 — 11 будет показано, как интегральные схемы на МОП — транзисторах революционизировали цифровую электронику. Так как на малой площади в ИМС может быть размещено большее число слаботочных ПТ, то они особенно плезны для создания больших интегральных микросхем (БИС), применяемых в цифровой технике, таких как микрокалькуляторы, микропроцессоры и устройства памяти. Плюс к тому недавнее появление сильноточных ПТ (30 А или более) позволяет заменить биполярные транзисторы во многих применениях, зачастую получая более простые схемы с улучшенными параметрами.

ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ НА ПТ

Измерение проводимости органических материалов с использованием полевых транзисторов (FET) и методов ограничения тока пространственным зарядом (SCLC)

• Содержание главы
• Содержание книги

Woodhead Publishing Series по электронным и оптическим материалам

2019, Pages 453-487

Abstract

Исследования органических электронных материалов в последние годы процветают и расширяются благодаря их обещанию предоставлять приложения с новыми функциями, дополняющими существующую кремниевую технологию.Возможно даже, что пластиковая электроника может заменить Si в приложениях, которые работают со скромными требованиями к производительности из-за их упрощенной обработки, совместимости с произвольными подложками и универсального химического состава. В этой главе описываются два метода, которые обычно используются для оценки подвижности носителей заряда в органических полупроводниках: полевые транзисторы и измерения тока, ограниченного пространственным зарядом (SCLC). Расчеты с использованием структур полевых транзисторов предоставляют подробную информацию о свойствах материала на границе раздела с диэлектриками затвора, и, таким образом, они сильно зависят от процессов, происходящих на этой границе.Объемная мобильность извлекается из данных SCLC. Значения подвижности, полученные с помощью этих двух методов, часто сильно различаются из-за анизотропии, возникающей из-за упаковки молекул вдоль различных кристаллографических направлений, или в результате разной структуры или химического состава поверхности в отличие от объема. Обсуждается также завышение величины подвижности из-за неидеальных вольт-амперных характеристик или наличия конкурирующих эффектов.

Ключевые слова

Транспортировка заряда

Мобильность носителей заряда

Контактное сопротивление

Органические полупроводники (OSC)

Органические полевые транзисторы (OFET)

Ток с ограничением пространственного заряда (SCLC)

Рекомендуемые статьи (0)

Авторские права © 2019 Elsevier Ltd.Все права защищены.

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Транзистор нарушает закон теплопроводности

15 августа 2017 г. & bullet; Physics 10, s89

Одноэлектронный транзистор переносит больше тепла, чем предсказывает закон Видемана-Франца, связывающий теплопроводность и электрическую проводимость.

B. Dutta et al ., Phys. Rev. Lett. (2017)

B. Dutta et al ., Phys.Rev. Lett. (2017)

×

Хорошие проводники тепла обычно также являются хорошими проводниками электричества. Это согласно закону Видемана-Франца, который гласит, что при заданной температуре теплопроводность металла пропорциональна его электропроводности. Но исследователи обнаружили, что закон не действует для некоторых материалов, таких как металлический диоксид ванадия. Бивас Дутта из Университета Гренобль-Альпы во Франции, Йоонас Пелтонен из Университета Аалто в Финляндии и его коллеги теперь демонстрируют, что одноэлектронные транзисторы также нарушают закон.Эти транзисторы составляют основу электронных схем нанометрового размера, поэтому открытие может быть полезно для управления и сбора тепла, выделяемого в таких схемах.

Одноэлектронный транзистор состоит из наноразмерного «острова» из проводящего материала, соединенного с двумя электродами (истоком и стоком) через туннельные барьеры и с третьим электродом (затвором) через конденсатор. Команда измерила заряд и теплопроводность устройства в зависимости от среднего числа электронов (нг), индуцированных на острове напряжением, приложенным к затвору.Они обнаружили, что отношение проводимости подчиняется закону Видемана-Франца только в состояниях транзистора, соответствующих полуцелым значениям ng. В других штатах, включая состояния с целочисленным значением ng, это соотношение было в 4 раза выше, чем предусмотрено законом. Результаты согласуются с предыдущим исследованием, которое предсказало нарушение закона для не полуцелых состояний этого типа транзистора и связывало его с повышенной эффективностью кулоновской блокады — явления, при котором электрическая проводимость уменьшается из-за кулоновской отталкивание электронов.

Это исследование опубликовано в Physical Review Letters .

–Ана Лопес

Ана Лопес — старший редактор журнала Physics .

---

Теплопроводность одноэлектронного транзистора

Б. Датта, Дж. Т. Пелтонен, Д. С. Антоненко, М. Мешке, М. А. Скворцов, Б. Кубала, Дж. Кениг, К. Б. Винкельманн, Х. Куртуа и Дж. П. Пекола

Phys. Rev. Lett. 119 , 077701 (2017)

Опубликовано 15 августа 2017 г.

Тематические области

Статьи по теме

Другие статьи

Полупроводники

Электронов Вакуумные трубки Проводники Квантовая Механика Полупроводники Германий Диоды Контактное лицо Транзистор Перекресток P-N The Junction (бутерброд) Транзистор Первые Кремниевый транзистор Современное Транзисторы Четверка Многослойный диод Чип

Металл проводит электричество; резинка нет.Золото проводит электричество; Пенополистирол нет. Большинство материалов падает легко в ту или иную категорию. Всем известно, например, что Если вам нужен хороший провод, сделайте его из меди, а не из пластика. Но есть целая группа материалов, которые попадают между ними. Их проводимость находится между металлами и изоляторами. И их проводимость может быть изменена временно, освещая их светом или вводя заряды. Они известны как полупроводники, и они впервые заинтересовали физиков в конец 1920-х гг. Сначала никто не мог понять, как они работают. Ученые когда-то думали что некоторые атомы просто держатся за свои электроны сильнее, чем другие. Но когда физики стали лучше понимать, как выглядит атом вроде, они поняли, что происходит на самом деле. У разных видов атомов разное количество электронов, роящихся. вокруг них. Эти электроны могут находиться только в определенных местах вокруг атом.Это что-то вроде рядов сидений в театре по кругу: несколько электроны садятся в первый ряд вокруг сцены, и когда это заполненные следующие электроны сидят в следующем ряду и так далее. Электроны в заполненный ряд остается на месте — так же, как в театре труднее выйти, когда по обе стороны от вас сидят люди. В изоляторе каждый ряд полностью заполнен. Следовательно, электроны движутся редко. Нет движения электроны означают, что электричество не может проходить. Но если вы сидите в заднем ряду кинотеатра и сиденья не заполнены, вы легко можете встать, поменяться местами, может даже решить чтобы посмотреть другой фильм в следующем кинотеатре. В металле последний ряд не заполнен электронами. Внешние электроны мало лояльны по отношению к атом, с которым они находятся, и охотно блуждают в поисках других атомов. Это приводит к тому, что много движущихся электронов означает, что металлы могут легко проводит электричество. Так что же происходит с полупроводниками? Они находятся где-то посередине. В основном они состоят из атомов, которые не проводят электричество, но они есть горстка атомов с незакрепленными электронами. При определенных обстоятельствах — по изменение таких вещей, как температура или количество вводимой энергии — эти свободные электроны начнут протекать ток. Это означает, что в зависимости от того, что вы делаете, полупроводники могут временно проводить больше или меньше электричества.Это свойство транзисторов. эксплуатировать. Источники — Crystal Fire Майкла Риордана и Лилиан Ходдсон — Фейнман, «Лекции по физике». Авторские права 1999 г., ScienCentral, Inc. и Американский институт физики. Нет часть этого веб-сайта может быть воспроизведена без письменного разрешения. Все права защищены.

Устройство модуляции проводимости (например, однопереходный транзистор, двухбазовый диод, транзистор с модуляцией проводимости) Патенты и заявки на патенты (класс 257/212)

Номер патента: 9275863

Резюме: В способе изготовления полупроводникового устройства, имеющего MISFET структуру с канавкой затвора, канавка формируется на основной поверхности полупроводникового слоя первого типа проводимости, который служит областью стока, в направлении глубины направления полупроводникового слоя изолирующая пленка затвора, включающая термическую оксидную пленку и осажденную пленку, формируется на внутренней поверхности канавки, и после того, как электрод затвора сформирован в канавке, примеси вводятся в полупроводниковую подложку с первой проводимостью. типа проводимости, чтобы сформировать полупроводниковую область второго типа проводимости, которая служит областью формирования канала, и примеси вводятся в полупроводниковую область второго типа проводимости, чтобы сформировать полупроводниковую область первого типа проводимости, которая служит в качестве области источника.

Тип: Грант

Зарегистрирован: 22 сентября 2014 г.

Дата патента: 1 марта 2016 г.

Цессионарий: КОРПОРАЦИЯ RENESAS ELECTRONICS

Изобретателей: Сумито Нумадзава, Ёсито Накадзава, Масаёси Кобаяси, Сатоши Кудо, Ясуо Имаи, Сакаэ Кубо, Такаши Сигемацу, Акихиро Охниши, Кодзо Уэсава, Кентаро Оиси

Материалы подложки для мощных транзисторов

Транзисторы

RF Power отвечают за усиление радиочастотных сигналов до выходной мощности 5–1000 Вт, которые затем направляются через антенны.Эти силовые транзисторы используются для беспроводной связи (базовые станции сотовых телефонов), радаров, радио, широковещательного телевидения и промышленных источников питания. Частота работы ограничивает размер полупроводникового устройства, поэтому работа с высокой мощностью неизбежно приводит к высокой плотности отходящего тепла, которое должно отводиться от кристалла. Тепловая плотность типичного ВЧ-транзистора обычно составляет 50 — 100 Вт / см ² , что сравнимо с 1 Вт / см ² для типичного низкочастотного кремниевого силового устройства.Компания Materion через свои многочисленные подразделения и предприятия обслуживает рынок силовых высокочастотных транзисторов, поставляя несколько типов подложек.

Для отвода тепла большинство силовых кремниевых транзисторов припаяно к своей подложке золотым / кремниевым припоем. Поскольку AuSi является «твердым» припоем, тепловое расширение подложки должно составлять от 3 до 10 x 10 ^-6 / ° C, чтобы предотвратить растрескивание Si при изменении температуры. Подложка может быть либо диэлектрической, либо электрическим проводником, в зависимости от типа транзистора.Si VMOS и биполярные транзисторы должны быть припаяны к электрически изолированной площадке на теплопроводном диэлектрике. Керамические подложки Materion BeO, известные как Thermalox ™ BeO, предлагают уникальное сочетание высокой теплопроводности, высокого удельного электрического сопротивления и низких диэлектрических потерь в широком диапазоне частот. Materion предлагает горячепрессованные керамические подложки из BeO, производимые на заводе в Тусоне, штат Аризона, чтобы удовлетворить это требование. Затем предприятие Materion в Ньюберипорте, штат Массачусетс, затем трафаретно печатает образцы толстопленочной пасты MoMn, которая наносится на BeO, покрывается Ni и затем спаивается в корпус с использованием припоев, поставляемых предприятием Materion в Буффало, штат Нью-Йорк.

В середине 1990-х годов компания Motorola изобрела новый тип ВЧ-транзистора под названием LDMOS . Транзисторы LDMOS могут быть припаяны непосредственно к электрически заземленному металлическому фланцу, что устраняет необходимость в BeO. Исключение BeO снизило стоимость пакета, а также уменьшило общее тепловое сопротивление, поскольку большинство пакетов BeO содержат фланец, припаянный под BeO. К концу 1990-х годов популярность LDMOS-транзисторов резко возросла. С переходом от аналоговых сотовых телефонов к цифровым в начале 2000-х годов LDMOS-транзисторы доминировали на рынке усилителей для базовых станций сотовой связи.

В дальнейшем Materion удовлетворяет и другие требования индустрии радиочастотных транзисторов, производя корпуса с воздушными полостями, состоящие из керамического каркаса, припаянного к металлическому фланцу. Промышленность требует фланцев с более высокой теплопроводностью и более низкой стоимостью. Materion предлагает паяные керамические корпуса с фланцами из CuW, CMC и CPC (Таблица 1). Различные компании Materion работают с ключевыми клиентами над разработкой фланцев из меди, что потребует совершенно нового метода пайки Si на фланец из-за серьезного несоответствия теплового расширения между Si и Cu.

Следующее поколение мощных транзисторов изготавливается из нового полупроводникового материала, называемого нитрид галлия (GaN). По запросу нескольких производителей GaN, Materion также работает над разработкой новых материалов фланцев, которые обеспечивают более высокую теплопроводность, чем обычные материалы фланцев, высокую жесткость и хорошее тепловое расширение, соответствующее GaN.

Таблица 1: Свойства различных материалов подложки для мощных ВЧ-транзисторов

Материал	Удельное электрическое сопротивление (Ом-см)	Теплопроводность (Вт / м-К)	Коэффициент теплового расширения (10 -6 / ° С)	Используется с РЧ транзисторами
Si	переменная	151	3	VMOS, биполярный, LDMOS
GaN	переменная	130	3.2	полевых транзисторов
99,5% ВеО	1E13	285	7,6	Si VMOS, биполярный; SiC SIT
11:89 Cu: W	5.3E-8	200	6,5	Si LDMOS
1: 1: 1 Cu / Mo / Cu (CMC)	НЕТ	230	8.9	Si LDMOS, GaN
1: 4: 1 Cu / CuMo / Cu (CPC)	НЕТ	220	7.3x — 10 лет	Si LDMOS, GaN
Cu	1.7E-8	390	17	Si LDMOS (в разработке)

US 3943551 A — БИС на полевых транзисторах разного типа проводимости

1. Ячейка, имеющая поверхность, на которой сформированы контакты, адаптированные для приема различных схем межсоединений для выполнения различных функций, указанная ячейка содержит:

• первое множество транзисторов первого типа проводимости и второе множество транзисторов второго типа. тип проводимости;

  каждый из упомянутых транзисторов, имеющий первую и вторую области, определяющие концы пути проводимости, и управляющий электрод для управления проводимостью пути проводимости;

  первая и вторая области транзисторов указанного первого типа проводимости физически расположены так, чтобы их пути проводимости лежали встык, а первая и вторая области транзисторов указанного второго типа проводимости были физически расположены так, чтобы иметь их проводящие пути лежат встык;

  — первый набор упомянутых контактов, подключенных к первой и второй областям упомянутого первого множества транзисторов;

  — второй набор упомянутых контактов, подключенных к первой и второй областям упомянутого второго множества транзисторов;

  первая и вторая области каждого транзистора подключены к разным контактам, при этом смежные транзисторы с одинаковым типом проводимости имеют общую область, подключенную к контакту;

  два дополнительных контакта, один из которых обозначен как первый силовой контакт, а другой обозначен как второй силовой контакт для приложения между ними рабочего потенциала для элемента, упомянутые первый и второй силовые контакты связаны и расположены рядом с помимо упомянутых первого и второго наборов контактов соответственно; и

  упомянутый первый силовой контакт и контакты для упомянутого первого множества транзисторов, образующие шаблон, который является зеркальным отображением шаблона, сформированного упомянутым вторым силовым контактом и контактами упомянутого второго множества транзисторов относительно плоскости симметрии, лежащей между указанным первым и вторым множеством транзисторов.

Исследователи создают транзисторы на основе ионного геля из проводящего полимера

Предоставлено: Pixabay / CC0 Public Domain.

Исследователи из Университета Цукубы создали новое электрическое устройство на основе углерода, π-ионные гелевые транзисторы (PIGT), используя ионный гель из проводящего полимера. Эта работа может привести к созданию более дешевой и надежной гибкой печатной электроники.

Органические проводники, представляющие собой полимеры на основе углерода, которые могут переносить электрические токи, могут радикально изменить способ производства электронных устройств.Эти проводники обладают свойствами, которые можно регулировать путем химической модификации, и их можно легко распечатать в виде цепей. По сравнению с нынешними кремниевыми солнечными панелями и транзисторами, системы на основе органических проводников могут быть гибкими и более простыми в установке. Однако их электропроводность может быть резко снижена, если конъюгированные полимерные цепи становятся неупорядоченными из-за неправильной обработки, что значительно ограничивает их способность конкурировать с существующими технологиями.

Теперь группа исследователей из Университета Цукубы сформулировала новый метод сохранения электрических свойств органических проводников путем формирования «ионного геля».«В этом случае растворитель вокруг цепей поли (пара-фениленэтинилена) (PPE) был заменен ионной жидкостью, которая затем превратилась в гель. Используя конфокальную флуоресцентную микроскопию и сканирующую электронную микроскопию, исследователи смогли проверить морфологию органического проводника.

«Мы показали, что внутренняя структура нашего π-ионного геля представляет собой сеть из нановолокон из СИЗ, которая очень хорошо проводит электричество», — говорит автор профессор Йохей Ямамото.

Помимо того, что полимерные цепи действуют как проволока для делокализованных электронов, они направляют поток мобильных ионов, которые могут способствовать перемещению носителей заряда к углеродным кольцам.Это позволяет току проходить через весь объем устройства. Результирующий транзистор может включаться и выключаться при изменении напряжения менее чем за 20 микросекунд, что быстрее, чем у любого предыдущего устройства этого типа.

«Мы планируем использовать этот прогресс в супрамолекулярной химии и органической электронике для разработки целого ряда гибких электронных устройств», — объясняет профессор Ямамото. Быстрое время отклика и высокая проводимость открывают путь для гибких датчиков, которые отличаются простотой изготовления, связанной с органическими проводниками, без ущерба для скорости или производительности.

---

Новый метод тестирования органических смешанных проводников

---

Дополнительная информация: Сох Кушида и др. Органические супрамолекулярные транзисторы с быстрым откликом на основе π-ионных гелей, Advanced Materials (2020).DOI: 10.1002 / adma.202006061 Предоставлено Университет Цукуба

Ссылка : Исследователи создают транзисторы на основе ионного геля из проводящего полимера (2020, 16 декабря) получено 16 мая 2021 г. с https: // физ.org / news / 2020-12-Transistors-based-ionic-gel-polymer.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения.