Структура биполярного транзистора: 5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

Содержание

5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода - плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа - электронами.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода - обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 - 25 мкм < Lб.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n-переходы, и общие токи равны нулю.

Транзистор p-n-p-типа в активном режиме включения показан на рис. 5.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный - в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток IЭ, а через коллекторный переход – малый обратный ток коллектора.

Основные носители заряда в эмиттере – дырки – диффундируют из-за разности концентрации в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – дырочную Iэp и электронную Iэn: Iэ= Iэp+ Iэn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток Iэp преобладает над электронным током из базы Iэn, т.е. Iэp >> Iэn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов Iб ≈ Iэp.

Структура биполярного транзистора | Электроника

Транзисторы подразделяют на два основных класса: биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодейст-вующими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Имеется две разновидности биполярных транзисторов: бездрейфовые (диффузионные) и дрей-фовые – они отличаются принципом работы. Рассмотрим бездрейфовые биполярные транзисторы.

Конструктивно биполярный транзистор представляет собой пластину монокристалла полупроводника с электропроводностью р- или n-типа, по обеим сторонам которой вплавлены (или внесены другим образом) полупроводники, обладающие другим типом электропроводности. На границе раздела областей с разным типом электропроводности образуются p-n- или n-p-переходы. Каждая из областей, называемых эмиттером 1, коллектором 2 и базой 3, снабжается омическим контактом, от которого делается вывод Э, К и Б, соответственно (рис. 1.25). База биполярного транзистора – средняя область в p-n-p- (или n-p-n-) структуре, характеризуется наименьшей концентрацией примесей, посредством омического контакта соединена с выводом, называемым базой (Б).

Эмиттер – крайняя область в p-n-p- (или n-p-n-) структуре биполярного транзистора, используемая для инжекции (впрыскивания) носителей в область базы, посредством омического контакта соединена с выводом, называемым эмиттер (Э). Коллектор – крайняя область в p-n-p- (или n-p-n-) структуре биполярного транзистора, используемая для экстракции (втягивания) носителей из области базы; посредством омического контакта соединена с выводом, называемым коллектор (К). Транзистор укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус, в дно которого через стеклянные изоляторы проходят выводы. Корпус может быть металлическим, пластмассовым или стеклянным.

Рис. 1.25. Биполярный транзистор

При рассмотрении процессов, происходящих в транзисторе, его удобно представлять плоскос-тными структурными схемами. Изображенный на рис. 1.25 транзистор в виде структурной схемы показан на рис. 1.26, а. Он имеет структуру p-n-р. На рис. 1.26, б показан транзистор с другим чередованием областей (n-p-n), на рис.

1.26, в, г – соответствующие структурным схемам условные обозначения транзисторов. Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения выводов к источнику питания противоположная. Так как транзистор – симметричная структура, то любая крайняя область могла бы быть как эмиттером, так и коллектором. Однако в реальных конструкциях исходя из обеспечения лучшей работы транзистора область коллектора делается большей по размерам, чем область эмиттера. Из тех же соображений активная толщина базы делается небольшой (меньше диффузионной длины неосновных носителей). Выводы от каждой из областей называются так же, как и области: эмиттерный, базовый, коллекторный. Переход эмиттер-база называется эмиттерным, коллектор-база – коллекторным. Назначение эмиттера – инжекция (вспрыскивание) в область базы не основных для нее носителей заряда, для чего область эмиттера выполняют более насыщенной основными носителями (более низкоомной), чем область базы. Назначение коллектора – экстракция (втягивание) носителей из базы, в которой различают три области: активную (между эмиттером и коллектором, через нее приходят носители заряда в активном режиме работы тран-зистора), пассивную (между эмиттером и выводом базы) и периферическую (за выводом базы).

Транзисторы классифицируют по различным признакам: по мощности – малой, средней, большой; по диапазону рабочих частот – низких, средних, высоких; по методу изготовления – сплавные, микросплавные, диффузионные, планарные, мезаструктуры.

Рис. 1.26. Плоскостные структурные схемы и условные обозначения транзисторов

Структура и принцип работы биполярного транзистора — Студопедия

Уравнения и эквивалентные схемы биполярного транзистора

Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Структура и принцип работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы

План лекции:

Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими

p-n-пере­ходами, созданными в объёме монокристалла полупроводника. В зависимости от материала полупроводника различают кремниевые и германиевые транзисторы. Два p-n-пере­хода разделяют монокристалл на три легированные примесями области, называемые эмиттером, базой и коллектором и имеющие соответствующие выводы. По виду примесей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-p (рис. 6.1). Приборы типа n-p-n в настоящее время используют чаще, потому что по сравнению с транзисторами p-n-p типа они имеют лучшие характеристики в области высших частот из-за большей подвижности дырок и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Биполярным транзистор называют потому, что его работа зависит от носителей заряда обеих полярностей. Весьма часто БТ называют просто транзистором от английского transfer resistor. По смыслу это означает, что транзистор изменяет (трансформирует) величину сопротивления, согласуя сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением предыдущего каскада (узла) схемы.


Рис. 6.1. Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов

Усилительные свойства транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. БТ можно использовать в качестве усилителя тока, напряжения или мощности.

Электроды или выводы транзистора – проводники, которые соединены с p- и n-областями транзистора для обеспечения возможности включения транзистора в электрическую цепь и управления его параметрами.

Эмиттер (излучатель) – область транзистора, которая является источником (впрыскивателем, инжектором) зарядов в базу при воздействии внешнего электрического напряжения.

База – средняя область транзистора − элемент, управляющий величиной тока, протекающего через транзистор.

Коллектор – область транзистора, предназначенная для сбора (извлечения) носителей заряда, созданных эмиттером и проходящих через базу.

Биполярный транзистор является несимметричным прибором, так как площади эмиттерного и коллекторного p-n-переходов различны. В частности площадь эмиттерного перехода меньше коллекторного. Кроме того, эмиттерная и коллекторная области имеют разную концентрацию атомов примеси. Степень легирования эмиттера намного больше, чем у коллектора. Структура реального транзистора p-n-p типа приведена на рис. 6.2.


Рис. 6.2. Вариант конструкции транзистора типа n-p-n

Процессы в базовой области обеспечивают взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов друг с другом и определяют основные свойства транзистора. Чем меньше толщина базы, тем сильнее взаимодействие эмиттера с коллектором.

В зависимости от распределения атомов примеси в базе различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы.

Бездрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена равномерно. В таком транзисторе внутри базы отсутствует электрическое поле, и носители заряда из-за разной концентрации на границах базы движутся только за счёт диффузии.

Дрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена неравномерно. В этом случае электрическое поле внутри базы вызывает появление дрейфового движения носителей заряда дополнительно к диффузионному.

Лекция 6. Структура и устройство биполярных транзисторов. Принцип действия биполярного транзистора и его основные параметры

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

Лекция 11.

Электронно-дырочный переход

Лекция 11. Электронно-дырочный переход Контакт двух примесных полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n-переходом. Обычно он создается

Подробнее

2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером (Э), а другая коллектором (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе.

Подробнее

Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

21 Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора 3. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов 3. Мощные биполярные транзисторы 4. Выводы 1. Устройство

Подробнее

Нелинейные сопротивления «на ладони»

Нелинейные сопротивления «на ладони» Структурой, лежащей в основе функционирования большинства полупроводниковых электронных приборов, является т. н. «p-n переход». Он представляет собой границу между двумя

Подробнее

Изучение работы p-n перехода

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЛ техники эксперимента МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» www.rib.ru e-mail: [email protected] 010804. Изучение работы -

Подробнее

) j 1 и j з - j 2 - j2 - j 2. V2. j2 -

ТИРИСТОРЫ ПЛАН 1. Общие сведения: классификация, маркировка, УГО. 2. Динистор: устройство, принцип работы, ВАХ, параметры и применение. 3. Тринистор. 4. Симистор. Тиристор - это полупроводниковый прибор

Подробнее

Изучение работы биполярного транзистора

Специализированный учебно-научный центр - факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Школа имени А.Н. Колмогорова Кафедра физики Общий физический практикум Лабораторная работа 3. 7 Изучение работы биполярного транзистора

Подробнее

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник Для изготовления полупроводников применяют в основном германий и кремний, а также некоторые соединения галлия, индия и пр. Для полупроводников характерен отрицательный температурный

Подробнее

Электронно-дырочный переход

Кафедра экспериментальной физики СПбПУ Электронно-дырочный переход Методические указания к лабораторному практикуму по общей физике СПбПУ 2014 Лабораторная работа 2.08 «Электронно-дырочный переход» 1 http://physics.spbstu.ru

Подробнее

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И

Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Кафедра электроники Отчет по лабораторной работе: ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ

Подробнее

СБОРНИК ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» Кафедра радиоэлектроники

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

1. Общие сведения о полупроводниках

Тема 14. Полупроводниковые приборы. 1. Общие сведения о полупроводниках Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов

Подробнее

8. Интегральные логические элементы

8. Интегральные логические элементы Введение В логических элементах биполярные транзисторы могут использоваться в трёх режимах: режим отсечки оба p-n перехода транзистора закрыты, режим насыщения оба p-n

Подробнее

УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

УНОЛЯРНЫЕ (ОЛЕВЫЕ) ТРАНЗСТОРЫ Униполярными называются транзисторы, в которых для создания тока используются носители заряда только одного знака. Эти транзисторы делятся на два основных класса: 1) Транзисторы

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзистор - это полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов По материалу полупроводника

Подробнее

Одновибраторы на дискретных элементах.

11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей

Подробнее

Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники

Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то, как показывает опыт, электрический ток

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярный транзистор прибор, состоящий из трех полупроводниковых областей с чередующимся типом проводимости (np-n или p-n-p) с двумя p n-переходами, пригодный для усиления, генерации

Подробнее

Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

29 Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Классификация полевых транзисторов 2. МОП-транзисторы 4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов 4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором 5. Выводы

Подробнее

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевой транзистор (ПТ) это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал,

Подробнее

Основы электроники 1/45

Основы электроники 1/45 Планетарная модель атома (Бор, Резерфорд) предусматривает наличие ядра и вращающихся на определенных (разрешенных) орбитах вокруг него электронов. Под действием внешних факторов

Подробнее

Оглавление. Дшпература... 44

Оглавление Предисловие редактора Ю. А. Парменова...11 Глава I. Основные сведения из физики полупроводников... 13 1.1. Элементы зонной теории... 13 1.2. Собственные и примесные полупроводники... 18 1.3.

Подробнее

Вариант 1. Вопрос 1. Вопрос 2

Вариант 1 Вопрос 1 Диффузионный ток через p-n переход обусловлен: приложенным внешним электрическим полем разностью концентраций основных носителей заряда в p и n областях влиянием температуры отсутствием

Подробнее

П13, П13А, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А

П13,, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А Германиевые плоскостные транзисторы типа П13,, П14, П15 предназначены для усиления электрических сигналов промежуточной частоты. Транзистор П13Б предназначен для

Подробнее

Элементы физики твердого тела

Новосибирский государственный технический университет Элементы физики твердого тела Кафедра прикладной и теоретической физики Суханов И. И. Предметный указатель Дискретные уровни энергии электрона в атоме

Подробнее

Структура биполярного транзистора и принцип его работы. частотные характеристики транзистора. распределение концентрации носителей заряда в области базы, эмиттера и коллектора. зарядовая модель биполярного транзистора. структура и принцип действия тиристора

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. Такой транзистор состоит

из двух взаимодействующих

p − n − переходов, созданных в объеме

монокристалла кремния или германия. Работа биполярного транзистора основана на явлениях, происходящих в объеме полупроводника.  Два

p − n − перехода  разделяют  три  области,  называемые

эмиттером, базой и коллектором (рис. 14.1).

Рис. 14.1. Биполярный транзистор типа n − p − n : (а) упрощенная модель; (б)

условное графическое изображение

В зависимости от характера примесей в этих областях принято

различать транзисторы типа

n − p − n

и  p − n − p . Ограничим наше

рассмотрение приборами типа

n − p − n , которые в настоящее время

чаще используются, имеют лучшие характеристики в области высоких частот и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии. Это объясняется тем, что подвижность электронов в два, три раза выше подвижности дырок. Для

того чтобы было велико взаимодействие токов через два перехода, расстояние между ними должно быть мало по сравнению с диффузионной длиной основных носителей тока.

Термин «биполярный транзистор» указывает на то, что работа данного прибора связана с движением как электронов, так и дырок. Рассмотрим одномерную структуру. Источники напряжений подключены таким образом, что усилительный прибор работает в активном

режиме при нормальном включении: источник Uэ

смещает переход

«эмиттер-база» в прямом направлении, а источник Uk

смещает переход «коллектор-база» в обратном направлении (рис. 14.1а). Возможны еще три режима, которые используются в переключательных устройствах: инверсный активный режим (аналогичный нормальному активному, но с взаимной переменой мест эмиттера и коллектора), режим отсечки (оба напряжения являются обратными) и, наконец, режим насыщения (оба перехода смещены в обратном направлении).

В активном нормальном режиме работы транзистора потенциал

Uэ  вызывает инжекцию электронов из эмиттера в область базы, которая располагается между границами

xБЭ

и xБК

обедненных областей

p − n − переходов.     В         активной        области           базы    происходит

диффузия электронов. (Следует иметь в виду, что в базе так называемого дрейфового транзистора наряду с диффузией имеет место дрейф неосновных носителей под действием внутреннего поля). Некоторые электроны рекомбинируют с дырками, однако, большая

часть проходит область базы и достигает того участка, где источник

напряжения

UКБ , включенный в обратном направлении, создает интенсивное электрическое поле, ускоряющее носители по направлению к коллектору. Чтобы этот процесс шел эффективно, активная область базы должна быть гораздо меньше диффузионной длины электронов.

Процесс усиления происходит следующим образом. Так как концентрация легирующих примесей в базе мала, инжекция дырок из базы в эмиттер приводит к возникновению лишь небольшого дырочного тока, протекающего через вывод базы. С помощью этого малого тока можно управлять гораздо большим током коллектора

(как уже отмечалось, работа транзистора основана на существовании носителей обоих знаков).

Когда к эмиттерному переходу приложено прямое напряжение, электроны из эмиттера инжектируются в базу, где становятся неосновными носителями. Поскольку к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, то электроны из базы затягиваются электричесим полем перехода в область коллектора. Ток, проходящий через коллектор, можно определить по формуле

Ik  = −(I

k0  + αIэ

) .         (14.1)

Величина α  представляет собой коэффициент усиления по току, который является одним из основных параметров транзисторов.

Коллекторный ток в отсутствие эмиттерного тока обозначается как Ik0 . Эта величина определяется равновесными носителями в базе и равна обратному току насыщения. Для эффективной работы транзистора коэффициент α  должен быть близок к единице, характерные значения в реальных приборах составляют 0,98÷0,99. Значение

коэффициента усиления зависит от конструкции прибора и режима

его  работы,  т.е.  от  значений  токов  и  напряжений  через  оба

p − n − перехода.

Поскольку напряжение UК

подключается как обратное, уровень

импеданса, относящийся к этой части цепи, оказывается существенно выше того уровня, который связан с источником

Uэ . По этой

причине транзистор является элементом цепи, создающим усиление по напряжению. Коэффициент передачи тока от эмиттера к коллектору  оказывается  немного  меньшим  единицы.  Произведение этих двух величин есть коэффициент усиления по мощности, который может превышать единицу. В активном режиме работу транзистора можно оценивать также крутизной характеристики, которая определилась путем измерения приращения тока на выходе в зависимости от изменения напряжения на входе.

При анализе работы биполярного транзистора в качестве усилительного прибора особый интерес представляет случай, когда напряжение «база-эмиттер» изменяется во времени периодически. Если амплитуда этого напряжения достаточно мала, то говорят, что транзистор работает в режиме малого сигнала.

Если в качестве основы для расчетов работы транзистора рассматривать заряды, которые накапливаются в различных областях прибора, то такая модель называется зарядовой. Если предположить, что ток, протекающий по переходу, является линейной функцией заряда, его производной по времени, а также переменного напряжения, приложенного к переходу, то накопленный заряд можно представить в виде функции, которая зависит только от времени и удовлетворяет обобщенному закону сохранения заряда. Зарядовая модель может быть выражена как

I = Q   n

+ Qp

+  dQn

+ dQp

+ dQпер ,        (14.2)

τ’n

τ’ p       dt         dt         dt

где I полный ток в переходе; Qn

заряд, внесенный электронами в

нейтральную

p − область; Qp

заряд, внесенный дырками в нейтральную

n − область;

τ’n

среднее время жизни электрона с учетом

процессов рекомбинации в объеме и на поверхности;

τ’p

среднее

время жизни дырки;

Qпер

заряд в обедненной области; Qn

τ’n        и

Qp   τ’ p

составляющие тока, связанные с поддержанием процессов

рекомбинации в нейтральных областях;

dQn

dt  и

dQp

dt  составляющие тока, обусловленные изменениеями избыточных носителей

в нейтральных областях;

dQпер

dt  составляющая тока, обусловленная изменением заряда в обедненной области.

Транзистор типа

n − p − n , работающий как усилитель, управляется напряжением, которое прикладывается к переходу «базаэмиттер». Изменение этого напряжения влияет на значения составляющих заряда.

Дифференциальные уравнения, описывающие зарядовую модель транзистора, являются линейными, несмотря на то, что токи и напряжения в транзисторе связаны между собой нелинейной зависимостью. Эти уравнения весьма полезны для расчетов устройств, в которых транзистор подключен к внешней нагрузке. Среди всевозможных применений зарядовой модели можно указать ее использование для нахождения тока коллектора в транзисторе, который работает в активном режиме и имеет источник тока в базовой цепи.

Особенно часто эту модель применяют при исследовании работы транзистора в режиме большого сигнала, а также при изучении нестационарного процесса, сопровождающего переход транзистора из режима отсечки в режим насыщения. Эта модель позволяет также определить ток стока в МОП-транзисторе на основании соотношения, которое связывает заряд в канале с временем перехода носителей через область канала.

Вольтамперные характеристики зависимости тока  коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером представлены в качестве примера на рис. 14.2.

Рис. 14.2. Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме «общий эмиттер»: 1 насыщение; 2 активный режим; 3 отсечка

Тиристоры представляют собой четырехслойные полупроводниковые приборы, предназначенные для создания накопительных устройств,  управляемых  выпрямителей, регуляторов  мощности  и т.п. Эти приборы имеют два устойчивых состояния, в одном из которых они проводят ток («включено»), а в другом разрывают цепь («выключено»). Тиристоры могут работать с напряжениями до 1000

В и коммутировать токи до 500 А. Удается достичь длительности переключения вплоть до десятков микросекунд.

Управляемый тиристор используют как регулирующий элемент осветительной аппаратуры. Он применяется также в силовых устройствах  преобразования  частоты,  может  служить  быстродействующим коммутатором и т.д.

Идеальная структура такого прибора представляет объединение транзисторов типа

p − n − p

и n − p − n

(рис. 14.3).

Рис. 14.3. Идеальная структура кремниевого управляемого тиристора

Ток  в  цепи  управляющего  электрода  усиливается

n − p − n транзистором, поэтому в цепи

p − n − p — транзистора возникает ток,

который усиливается транзистором типа n-p-n. Этот ток возрастает до тех пор, пока не становится равным току насыщения. С ростом тока управляющего электрода напряжение лавинного пробоя (напряжение включения) уменьшается. При больших токах управляющего электрода лавинный пробой наблюдается в точках, близких к кривой, описывающей вольтамперную характеристику выпрямляющего

p − n − перехода.

Материал взят из книги Основы полупроводниковой техники и ее применение  в  автотранспортном  комплексе (Ткачева Т.М.)

Транзистор биполярный - Физическая энциклопедия

ТРАНЗИСТОР БИПОЛЯРНЫЙ (от лат. bi - двойной, двоякий и греч. polos - ось, полюс) - один из осн. элементов полупроводниковой электроники. Создан в 1948 Дж. Бардином (J. Bardeen), У. Браттейном (W. Brattain) и У. Шокли (W. Shockley) (Нобелевская премия по физике, 1956). Представляет собой трёхслойную полупроводниковую структуру с чередующимися слоями дырочной (р-тип) и электронной (n-тип) проводимости. Существуют Т. б. как p - n-р- (рис. 1, а), так и p-p- п-типа (рис. 1, б). Ср. область транзисторной структуры называют базой. На границе между базовой областью и крайними областями- эмиттером и коллектором - существуют электронно-дырочные переходы (р-п-переходы): эмиттерный и коллекторный (рис. 2). В основе работы Т. б. лежат свойства p - n-переходов, схема включения его в электрич. цепь показана на рис. 3. Т. б. изготовляются, как правило, на основе Si, GaAs и гетероперехода GaAlAs/GaAs.

Рис. 1. Структура биполярного транзистора: а-транзистор р- п-р-типа; б -транзистор п-р-n-типа.


Рис. 2. Структура биполярного транзистора р-п-p-типа; I-эмиттерный р-n-переход; 2 - коллекторный р- n-переход.


Рис. 3. Схема включения транзистора.

Принципы работы. Обычно при работе Т. б. к эмиттер-ному переходу приложено напряжение в прямом направлении (+ на p-эмиттере), а к коллекторному - в обратном направлении (-на p-коллекторе), В отсутствие внеш. напряжения на границе р- и и-областей существует, как известно, потенц. барьер, мешающий дыркам переходить из рn-область, а электронам - из п- в р-область. Если к р - n-структуре приложено прямое напряжение (рис. 4, а), высота потенц. барьера понижается. При этом дырки из эмиттера инжектируются в базу (см. Инжекция носителей заряда), а электроны - из базы в эмиттер (рис. 4, б). В широком диапазоне токов выполняется соотношение где p1 - концентрация дырок в базе на границе с эмиттером, n1-концентрация электронов в эмиттере на границе с базой, р0 - концентрация дырок в эмиттере, n0 - концентрация электронов в базе (рис. 4, б). Концентрация дырок р0 в эмиттере и концентрация электронов n0 в базе определяются соответственно концентрациями легирующих примесей Na и Nd (см. Легирование полупроводников ).Эмиттер транзистора всегда легируется значительно сильнее, чем база (Nd<<Na). Поэтому в широком диапазоне токов n1<<p1.

Рис. 4. Протекание тока через p-n-переход при прямом напряжении: а-эмиттерный p-n-переход; б-распределение носителей заряда при протекании прямого тока - равновесная концентрация дырок в p-эмиттере; - равновесная концентрация электронов в базе; p1 - концентрация вблизи границы дырок, инжектированных из эмиттера в базу; n1-концентрация электронов,инжектированных в эмиттер).

Если ширина слаболегированной области (базы) значительно превышает диффузионную длину дырок (Dp-коэф. диффузии дырок, tp-время жизни дырок), то концентрация неравновесных (избыточных) дырок экспоненциально убывает в глубь базы:

Аналогично для электронов в эмиттере где х принимает отрицат. значения. На границе р - и n -областей полный ток, протекающий через p-n - переход, складывается из диффузионного тока дырок и диффузионного тока электронов (см.

Диффузия носителей заряда в полупроводниках). При этом доля дырочного тока


Коэф. называют к о э ф ф и ц и е н т о м и н ж е к ц и и э м и т т е р а. Электрофиз. параметры эмиттера и базы всегда выбираются такими, чтобы величина gp была по возможности близка к единице, даже с учётом того, что на практике часто выполняются неравенства Т. о., на границе эмиттера и базы (х = 0)ток в осн. является диффузионным током дырок.

Особенности протекания тока. При прямом напряжении на эмиттере через базовый электрод в базу каждую секунду входят N=I/e электронов со стороны отрицат. полюса источника питания. Если коэф. инжекции эмиттера gp=1 (идеальный эмиттер), то ни один электрон выйти из базы в эмиттер не может. На практике величина gp близка к единице, так что лишь малая доля электронов, вошедших в базу, покидает её в виде диффузионного потока электронов в эмиттер. Подавляющая часть вошедших в базу электронов исчезает в базе, рекомбинируя с дырками, инжектированными эмиттером. Это осн. свойство эмиттер-ного перехода, используемое при получении транзисторного эффекта - усиления по току.

Когда к p-n - переходу приложено обратное напряжение (рис. 5, а), высота потенц. барьера на границе p-n-перехода повышается. При этом ни дырки из коллектора в базу, ни электроны из базы в коллектор переходить не могут. Через коллекторный переход течёт относительно небольшой ток, складывающийся из двух компонентов. Первый компонент - ток электронов и дырок, возникающих вследствие теплового возбуждения в области объёмного заряда коллекторного перехода. Природа второго компонента представляет с точки зрения принципа работы Т. б. наибольший интерес. Электрич. поле, существующее внутри p-n-перехода, направлено так, что электрон, попавший в область перехода, выталкивается в и-область, а дырка - в p-область. Однако для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) поле в переходе, очевидно, направлено так, что оно способствует переходу дырок из базы в коллектор, а электронов из коллектора в базу. Любая дырка, оказавшаяся в базе на расстоянии от p-n-перехода, меньшем диффузионной длины Lp, с большой вероятностью попадает в поле p - n-перехода и выбрасывается из базы в коллектор. Такая же ситуация реализуется и для электронов в коллекторе. Поток неосновных носителей - дырок из базы и электронов из коллектора - и создаёт второй компонент тока p-n-перехода при обратном напряжении - т.н. диффузионный компонент. По обе стороны от коллекторного p - n-перехода при обратном напряжении возникают области, обеднённые неосновными носителями. В базе длина этой области равна диффузионной длине дырок Lp, в эмиттере - равна диффузионной длине электронов Ln (рис. 5, б).

Рис. 5. Протекание тока через p-n-переход при обратном напряжении: а - коллекторный p-n-переход; б-распределение неосновных носителей заряда в базовой и коллекторной области перехода (рn-равновесная концентрация дырок в базе; пр-равновесная концентрация электронов в коллекторе).

Осн. свойство коллекторного p-n-перехода, используемое при получении транзисторного эффекта, состоит в том, что любая дырка, возникающая в n-базе на расстоянии, меньшем, чем диффузионная длина Lp, с высокой вероятностью попадает в поле перехода и увлекается в коллектор.

Для реализации эффекта усиления по току транзисторная структура (рис. 3) изготовляется так, чтобы расстояние между эмиттерным и коллекторным p-n-переходами, т. е. ширина базы W, было бы значительно меньше диффузионной длины дырок Lp в базе.

Если в базе транзистора протекает ток Iб, то в базовую область каждую секунду входят электронов. Ни в эмиттер, ни в коллектор электроны из базы практически уйти не могут. Следовательно, в стационарном состоянии все Ne электронов должны рекомбинировать в базе. В диоде с длинной базой и с коэф. инжекции дырок p-п-перехода gp=1 для того, чтобы обеспечить рекомбинацию Ne электронов, из эмиттера должно инжектироваться дырок. Если же p-n-переход обладает коэф. инжекции то для обеспечения рекомбинации электронов в базе должно ежесекундно инжектироваться дырок. Однако в транзисторе с шириной базы W<LP каждая дырка, инжектированная из эмиттера в базу, оказывается от коллектора на расстоянии, меньшем Lp. Поэтому она, не успев прорекомбинировать с электроном, с высокой вероятностью попадает в поле коллекторного перехода и выбрасывается в коллектор. Долю дырок a, проходящих без рекомбинации из эмиттера в коллектор, называют коэффициентом переноса. Естественно, эта доля тем больше, чем меньше отношение W/Lp. Во многих практически важных случаях можно считать, что В зависимости от типа и назначения Т. б. отношение W/LP лежит обычно в пределах от 0,5 до 0,05, а величинасоставляет от 0,9 до 0,999. Т. о., в транзисторной структуре подавляющая часть инжектированных эмиттером дырок проходит в коллектор, не прорекомбиниро-вав с электронами в базе.

Доля дырок, инжектированных эмиттером, идущих на рекомбинацию с поступающими в базу электронами, равна, очевидно, (1-a). Чтобы обеспечить рекомбинацию всех электронов, входящих в базу, должно выполняться равенство


Т. о., протекание тока Iб в цепи базы определяет протекание в эмиттерной и коллекторной цепи Т. б. токов Iэ и во много раз больших, чем Iб.

Основные параметры. Осн. характеристики Т. б.- коэф. усиления по току и предельная рабочая частота. Коэф. усиления Т. б. по току определяется гл. обр. отношением W/LP. Для уменьшения толщины базы W тех-нол. ограничений почти не существует. Совр. методы эпи-таксии позволяют изготовлять полупроводниковые моноатомные слои. Однако уменьшению толщины W и, следовательно, увеличению b препятствуют физ. ограничения.

На границах областей эмиттер - база и база - коллектор существуют области объёмного заряда (ООЗ). Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы протяжённость этих областей была существенно меньше W. Грубую оценку мин. значения W можно получить, приняв, что величина W должна быть много больше ширины ООЗ на границе эмиттер - база при нулевом смещении на эмит-терном переходе. Уровень легирования эмиттера значительно превышает уровень легирования базы. Поэтому практически вся ООЗ на эмиттерном переходе лежит в базовой области. Её ширина


Диффузионная разность потенциалов Vd может быть оценена как где-ширина запрещённой зоны полупроводника. Для для т. о.,

Величина Nd практически не может быть больше 5 • 1017 см -3. Уровень легирования эмиттера Однако при , время жизни носителей становится очень малым. При малом tn коэф. инжекции gp уменьшается [см. (1)]. Снижение gp, в свою очередь, вызывает уменьшение b.

При В величина мкм, что требует ширины базы мкм. Такой величине W соответствует значение

Коэф. усиления по току Т. б. составляет обычно неск. десятков, в нек-рых Т. б.- неск. сотен. В Т. б., для изготовления к-рых используются различные гетероструктуры, коэф. усиления- достигает неск. тысяч.

Быстродействие Т. б. принято характеризовать граничной частотой fг, при к-рой коэф. усиления по току уменьшается до b=1.

Физ. ограничение величины fг связано со временем переноса носителей через базу При чисто диффузионном механизме переноса носителей в базе Величина t может быть несколько уменьшена, если создать в базе электрич. поле, ускоряющее прохождение носителей от эмиттера к коллектору (т. н. тянущее поле). Такое поле создаётся в диффузионно-дрейфовых Т. б. неоднородным легированием базы. Величина т при этом может быть уменьшена приблизительно в 2 раза. Т. о., осн. путём повышения быстродействия Т. б. является уменьшение толщины базы W.

Отметим, что уменьшение W приводит к росту входного сопротивления базы rб. При этом увеличиваются постоянные времени заряда эмиттерной и коллекторной ёмкостей Сэ и Ск через сопротивление rб. Время заряда этих ёмкостей также ограничивает быстродействие Т. б. Практически граничная частота обычных Т. б. не превышает 10 ГГц.

Предельная рабочая частота гомоструктурных Т. б. составляет неск. ГГц. Предельная частота гетероструктур-ных Т. б. превышает 60 ГГц.

Характеристики Т. б. могут быть существенно улучшены, если в качестве эмиттера (а иногда и коллектора) использовать материал с шириной запрещённой зоны большей, чем у материала базы. В таких гетероструктурных Т. б. чаще всего база изготавливается из GaAs, а эмиттер - из GaAlAs (гетеропереход GaAs/GaAlAs). Идея гетероструктурных Т. б. сформулирована У. Шокли в 1948, а созданы они были в кон. 70-х гг. В этих Т. б. коэф. инжекции эмиттера близок к единице, даже если база легирована значительно сильнее, чем эмиттер (явление суперинжекции). Это снимает рассмотренные выше ограничения на толщину базы W и уровень легирования базы Nd. Кроме того, снижением уровня легирования эмиттера может быть существенно уменьшена ёмкость эмиттера Сэ. Созданы гетеротранзисторы с мкм, макс. частотой генерации ГГц и шума коэффициентом (в малошумящих Т. б.) пр.= 2-5 дБ.

Применение. Круг применений Т. б. условно можно разбить на 4 осн. части: Т. б. для цифровых устройств (ЦУ) и интегральных схем (ИС), Т. б. общего применения, СВЧ Т. б. и мощные Т. б.

Т. б., предназначенные для работы в ЦУ и ИС, должны обладать малыми габаритами, высокой скоростью и мин. энергией переключения. Элементную базу наибю быстродействующих (время переключения пр.= 20 пс) узлов серийных ЭВМ составляют кремниевые Т. б. В качестве наиболее быстродействующих элементов серийных ИС используются полевые транзисторы на основе GaAs и гетероструктурные Т. б. на основе гетеропары GaAs/GaAlAs.

Осн. требование к СВЧ Т. б. состоит в достижении макс. мощности и коэф. усиления на предельно высокой частоте. СВЧ Т. б. изготавливаются в осн. из GaAs, в к-ром баллистич. эффекты, позволяющие увеличить скорость пролёта носителей через базу, выражены значительно сильнее, чем в Si. Ведутся интенсивные разработки гетероструктурных СВЧ Т. б. Предельная частота генерации СВЧ Т. б.~60 ГГц.

Мощные Т. б. изготавливаются почти исключительно на основе Si, работают при напряжении коллектор - база до 1500 В и позволяют коммутировать ток ~ 10 А. Физ. особенности высоковольтных Т. б. обусловлены тем, что коллектор в высоковольтных Т. б. легирован значительно слабее базы. Благодаря этому широкая область объёмного заряда, возникающая при большом обратном напряжении, почти целиком расположена в коллекторе. На долю базы приходится лишь ничтожная часть общей ширины области объёмного заряда, что позволяет сделать базу достаточно тонкой и сочетать большие коллекторные напряжения с относительно малым временем переключения (~ 1 мкс).

Рис. 6. Транзистор с горбообразными барьерами: а - структура слоев; б-зонная диаграмма.

Наиб. перспективными с точки зрения улучшения частотных свойств являются структуры, в к-рых сочетаются свойства Т. б. и полевых транзисторов (ПТ). Как и в ПТ, работа таких транзисторов основывается на использовании носителей заряда только одного знака, однако принцип управления в таких приборах тот же, что и в Т. б.: инжекция носителей в базу осуществляется понижением барьера на границе эмиттер - база.

Одна из наиб. перспективных разновидностей Т. б. схематически показана на рис. 6,а. Соответствующая зонная диаграмма приведена на рис. 6, б. Чередование легированных по заданному закону п- и p-областей приводит к образованию на границе эмиттер - база и база - коллектор двух горбообразных барьеров. К переходу эмиттер - база прикладывается напряжение, понижающее барьер на границе i-р+. При этом из эмиттера в базу инжектируются электроны с большой энергией, достаточной для того, чтобы пройти над барьером (горячие электроны ).База структуры делается узкой так что горячие носители заряда пролетают её практически без столкновений с большой скоростью и, попадая в поле перехода коллектор - база, втягиваются коллектором. Предполагается, что такие транзисторы могут иметь граничную частоту, превышающую 300 ГГц.

Лит.: 1) Зи С. М., Физика полупроводниковых приборов, пер. с англ., кн. 1-2, М., 1984; 2) Степаненко И. П., Основы теории транзисторов и транзисторных схем, 4 изд., М., 1977; 3) Поже-ла Ю., Юцене В., Физика сверхбыстродействующих транзисторов, Вильнюс, 1985. М. Е. Левинштейн, Г. С. Симин.

      Предметный указатель      >>   

Как устроен биполярный транзистор - Club155.ru

 

На заре развития радиоэлектроники в качестве основных усилительных элементов выступали разнообразные электровакуумные приборы. Они постоянно совершенствовались как в плане массогабаритных показателей, надежности и долговечности, так и со стороны улучшения их электрических характеристик. Работа таких приборов основывалась на управлении с помощью электрических полей потоками электронов в вакууме, что, как минимум, требовало наличия крепкого герметичного корпуса с соответствующими габаритами. Несмотря на бурное развитие в течение нескольких десятилетий технологий производства электровакуумных приборов, физикам с самого начала было ясно, что кардинальное решение проблем может быть найдено только при переходе к принципиально иному принципу генерации и управления потоками зарядов. Длительные поиски твердотельного аналога радиолампы принесли потрясающий результат, когда ученые обратились к таким достаточно известным и распространенным материалам как кремний (Si) и германий (Ge).

Эти элементы периодической таблицы относятся к группе так называемых полупроводников — материалов, чья электропроводность гораздо ниже электропроводности металлов, но гораздо выше электропроводности диэлектриков. Оказалось, что в кремниевых и германиевых кристаллических структурах можно порождать потоки носителей зарядов и управлять ими аналогично тому, как это делалось в электровакуумных приборах. Причем для этого не требовалось создавать какие-либо внешние по отношению к кристаллу электрические поля или обеспечивать полный вакуум, да и управляемость самих элементарных носителей зарядов получалась гораздо лучшей.

Физика полупроводников достаточно емкая и порой весьма сложная наука. Будем надеяться, что читатель хоть в какой-то мере знаком с основными понятиями этого предмета, поскольку для глубокого понимания работы любых транзисторов без такого знакомства не обойтись. Мы можем себе позволить лишь кратко коснуться данной темы, описав некоторые базовые понятия.

Итак, независимо от типа применяемого полупроводникового материала (кремний или германий) существует три основных подвида полупроводников: чистые (беспримесные) полупроводники или полупроводники с собственной электропроводностью, полупроводники с электронной электропроводностью (полупроводники \(n\)-типа), полупроводники с дырочной электропроводностью (полупроводники \(p\)-типа). Последние два подвида образуются путем введения в чистые полупроводники специальных примесей. Такие примеси существенно повышают электропроводность полупроводниковой структуры за счет появления в ней свободных электронов (электронная электропроводность) или так называемых дырок — элементарных положительных зарядов, обусловленных отсутствием электрона в положенном месте возле ядра атома вещества (дырочная электропроводность). В обоих случаях обеспечивается протекание через полупроводник электрического тока при приложении к нему некоторого внешнего напряжения.

Оказывая некоторые дополнительные электрические воздействия на полупроводниковую структуру, можно управлять протекающим через нее током. На данном принципе основана работа большинства полевых транзисторов. Однако сложилось так, что на начальном этапе развития полупроводниковой электроники предпочтение было отдано биполярным транзисторам. В этих приборах используются свойства так называемых электронно-дырочных переходов (\(p\)-\(n\)-переходов) — структур, состоящих из двух имеющих четкую границу полупроводников с различными типами электропроводности: полупроводника \(n\)-типа и полупроводника \(p\)-типа.

Оказалось, что через такое соединение полупроводников электрический ток может протекать только в одном направлении — когда поток электронов через полупроводник n-типа поступает с отрицательного полюса внешнего источника напряжения, а поток дырок через полупроводник p-типа поступает с положительного полюса этого же источника (режим прямого смещения перехода). Встречаясь на границе раздела полупроводников с различной электропроводностью, эти потоки как бы накладываются друг на друга (т.е. электроны, встречаясь с дыркой, перемещаются и просто становятся на отведенные им места в кристаллической структуре, уничтожая старую дырку и порождая новую там, где они ранее находились; таким образом обеспечивается перетекание дырок далее к отрицательному полюсу, а электронов — к положительному). При изменении полярности внешнего напряжения (обратное смещение перехода) указанные условия не выполняются и электронно-дырочные потоки не могут возникнуть в полупроводниковой \(p\)-\(n\)-структуре. Конечно, в реальных полупроводниках имеет место и масса других физических процессов, которые влияют на их свойства (тепловые процессы, паразитные утечки, явления пробоя и т.п.), но это влияние в большинстве случаев не оказывается определяющим, а лишь несколько уточняет представленную здесь картину.

На описанном принципе основана работа полупроводниковых диодов. Биполярные транзисторы представляют собой несколько более сложную структуру, имеющую в своем составе не один, а два p-n-перехода и позволяющую не просто различать электрические сигналы по их полярности, но и усиливать их. Такая полупроводниковая структура изображена на рис. 1.1,а. В ней чередуются три области с различными типами электропроводности, причем средняя область выполнена очень узкой. Это позволяет потоку носителей зарядов, порожденному в первой области (на рис. 1.1,а слева), проникать через барьер в виде полупроводника с иным типом электропроводности в третью область (на рис. 1.1,а справа) с незначительными потерями (как будет показано в дальнейшем, величиной этих потерь мы можем эффективно управлять, воздействуя на среднюю область). В зависимости от комбинации применяемых полупроводников возможны два вида структуры биполярного транзистора: \(p\)-\(n\)-\(p\) и \(n\)-\(p\)-\(n\). Кроме того, первая и третья области полупроводниковой структуры ввиду конструктивных особенностей биполярных транзисторов не являются одинаковыми, из чего следует, что и свойства транзисторов не симметричны относительно центральной области (хотя и довольно похожи).

Каждая из областей приведенной на рис. 1.1,а полупроводниковой структуры биполярного транзистора имеет отдельный внешний вывод (электрод), а также определенное название, во многом отражающее ее функцию (заметим, что эти функции не зависят от типа транзистора — \(p\)-\(n\)-\(p\) или \(n\)-\(p\)-\(n\)). Область, в которой порождается поток носителей зарядов (на рис. 1.1,а изображена слева), называется эмиттером (Э). Средняя область, через которую происходит управление этим потоком, носит название базы (Б). И, наконец, третья область, в которую поступает урезанный управляемый поток, называется коллектором (К). Два \(p\)-\(n\)-перехода, имеющиеся в биполярном транзисторе, также получили конкретные имена. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход между коллектором и базой — коллекторным переходом (КП). Внешние электроды транзистора называются так же, как и области полупроводниковой структуры, с которыми они соединены. Схемные обозначения биполярных транзисторов типов \(p\)-\(n\)-\(p\) и \(n\)-\(p\)-\(n\) показаны на рис. 1.1,б.

 

Рис. 1.1. Плоская одномерная модель биполярного транзистора (а)
и его условные обозначения (б)

 

В качестве исходного полупроводникового материала при производстве транзисторов чаще всего используются: кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs) или фосфид индия (InP). Конструктивное исполнение дискретных биполярных транзисторов может быть самым разнообразным. Существует довольно много технологий их изготовления (в настоящее время преобладают различные подвиды планарно-эпитаксиальной технологии) и еще больше видов корпусов, в которые они могут помещаться (металлокерамические, пластмассовые, керамические и т.д.). Внешние габаритные размеры транзисторов определяются в основном требованиями к допустимым электрическим и тепловым режимам при работе и монтаже прибора. Транзисторы большой мощности имеют большие габариты и специальные средства для крепления внешних теплоотводящих радиаторов, транзисторы малой мощности могут выполняться вообще без корпусов или в корпусах минимальных размеров с очень слабыми теплоотводящими свойствами, защищающими транзистор не столько от перегрева кристалла полупроводника при работе, сколько от перегрева подведенных к нему контактов при пайке транзистора, а также от воздействия на кристалл агрессивной окружающей среды.

 

 

< Предыдущая   Следующая >
Биполярный транзистор

(BJT): что это такое и как он работает?

Что такое BJT?

Биполярный переходной транзистор (также известный как BJT или BJT-транзистор) представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, состоящее из двух p-n переходов, которые могут усиливать или усиливать сигнал. Это устройство, управляемое током. Три вывода BJT - это база, коллектор и эмиттер. BJT - это тип транзистора, в котором в качестве носителей заряда используются электроны и дырки.

Сигнал малой амплитуды, поданный на базу, доступен в усиленной форме на коллекторе транзистора. Это усиление, обеспечиваемое BJT. Обратите внимание, что для выполнения процесса усиления требуется внешний источник питания постоянного тока.

Есть два типа транзисторов с биполярным переходом - транзисторы NPN и транзисторы PNP. Схема этих двух типов транзисторов с биполярным переходом приведена ниже.
Из приведенного выше рисунка видно, что каждый BJT состоит из трех частей: эмиттер, база и коллектор.J E и J C представляют собой соединение эмиттера и соединение коллектора соответственно. Теперь нам изначально достаточно знать, что эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а переходы коллектор-база - в обратном направлении. В следующей теме будут описаны два типа этих транзисторов.

Биполярный переходной транзистор NPN

В биполярном транзисторе npn (или npn-транзисторе) один полупроводник p-типа находится между двумя полупроводниками n-типа, схема ниже npn-транзистора показана

Теперь I E , I C - ток эмиттера и ток сбора соответственно, а V EB и V CB - напряжение эмиттер-база и напряжение коллектор-база соответственно.Согласно соглашению, если для тока эмиттера, базы и коллектора I E , I B и I C ток идет в транзистор, знак тока принимается положительным, и если ток выходит из транзистора, то знак принимается отрицательным. Мы можем свести в таблицу различные токи и напряжения внутри транзистора n-p-n.

Тип транзистора I E I B I C V EB V CB V CE
npn - + + - + +

Биполярный транзистор PNP

Аналогично для биполярного транзистора pnp (или транзистора pnp), полупроводник n-типа зажат между двумя Полупроводники p-типа.Схема транзистора p-n-p показана ниже.

Для транзисторов p-n-p ток входит в транзистор через вывод эмиттера. Как и любой транзистор с биполярным переходом, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база - в обратном направлении. Мы можем табулировать ток эмиттера, базы и коллектора, а также напряжение эмиттер-база, база коллектора и напряжение коллектор-эмиттер для p-n-p транзисторов.

Тип транзистора I E I B I C V EB V CB V CE
p - n - p + - - + - -

Принцип работы BJT

На рисунке показан npn-транзистор, смещенный в активной области (см. Смещение транзистора), BE переход смещен в прямом направлении, тогда как переход CB имеет обратное смещение.Ширина обедненной области BE-перехода мала по сравнению с шириной CB-перехода.

Прямое смещение в BE-переходе снижает барьерный потенциал и заставляет электроны течь от эмиттера к базе. Поскольку основание тонкое и слегка легированное, оно состоит из очень небольшого количества дырок, поэтому некоторые электроны из эмиттера (около 2%) рекомбинируют с дырками, присутствующими в области базы, и вытекают из вывода базы.

Он составляет базовый ток, он течет из-за рекомбинации электронов и дырок (обратите внимание, что направление обычного тока противоположно направлению потока электронов).Оставшееся большое количество электронов пересечет коллекторный переход с обратным смещением и составит ток коллектора. Таким образом, по KCL,

Базовый ток очень мал по сравнению с током эмиттера и коллектора.

Здесь большинство носителей заряда - электроны. Транзистор p-n-p работает так же, как и транзистор n-p-n, с той лишь разницей, что большинство носителей заряда - это дырки, а не электроны. Лишь небольшая часть тока протекает из-за основных носителей заряда, а большая часть тока течет из-за неосновных носителей заряда в BJT.Следовательно, они называются устройствами неосновных носителей.

Эквивалентная схема BJT

p-n переход представлен диодом. Поскольку транзистор имеет два p-n перехода, он эквивалентен двум диодам, соединенным спина к спине. Это называется двухдиодной аналогией BJT.

Характеристики биполярных переходных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из трех частей: коллектор, эмиттер и база. Прежде чем узнать о характеристиках биполярного переходного транзистора , мы должны знать о режимах работы для этого типа транзисторов.Режимы:

  1. Режим с общей базой (CB)
  2. Режим с общим эмиттером (CE)
  3. Режим с общим коллектором (CC)

Ниже показаны все три типа режимов. разные характеристики для разных режимов работы. Характеристики - это не что иное, как графические формы отношений между различными переменными тока и напряжения транзистора. Характеристики p-n-p транзисторов приведены для разных режимов и разных параметров.

Характеристики общей базы

Входные характеристики

Для транзистора p-n-p входным током является ток эмиттера (I E ), а входным напряжением - напряжение базы коллектора (В CB ).

Поскольку переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, график зависимости I E от V EB аналогичен прямым характеристикам p-n диода. I E увеличивается для фиксированного V EB , когда увеличивается V CB .

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают соотношение между выходным напряжением и выходным током I C - это выходной ток и напряжение коллектор-база, а ток эмиттера I E - это входной ток и работает как параметры. На рисунке ниже показаны выходные характеристики p-n-p транзистора в режиме CB.

Как известно, для p-n-p транзисторов I E и V EB положительные, а I C , I B , V CB - отрицательные.Это три области на кривой, область насыщения активной области и область отсечки. Активная область - это область, в которой транзистор работает нормально.

Здесь эмиттерный переход имеет обратное смещение. Теперь область насыщения - это область, где оба перехода эмиттер-коллектор смещены в прямом направлении. И, наконец, отсеченная область - это область, где как эмиттерный, так и коллекторный переходы смещены в обратном направлении.

Характеристики общего эмиттера

Входные характеристики

I B (ток базы) - входной ток, В BE (напряжение базы - эмиттер) - входное напряжение для режима CE (общий эмиттер).Таким образом, входные характеристики для режима CE будут отношениями между I B и V BE с V CE в качестве параметра. Характеристики приведены ниже.

Типичные входные характеристики CE аналогичны характеристикам p-n диода с прямым смещением. Но по мере увеличения V CB ширина основания уменьшается.

Выходные характеристики

Выходные характеристики для режима CE - это кривая или график между током коллектора (I C ) и напряжением коллектор-эмиттер (V CE ), когда базовый ток I B является параметром.Характеристики показаны ниже на рисунке.

Как и выходные характеристики транзистора с общей базой, режим CE также имеет три области: (i) активная область, (ii) области отсечки, (iii) область насыщения. Активная область имеет обратное смещение коллекторной области и прямое смещение эмиттерного перехода.

В области отсечки эмиттерный переход имеет небольшое обратное смещение, и ток коллектора не отсекается полностью. И, наконец, для области насыщения как коллектор, так и эмиттерный переход смещены в прямом направлении.

История BJT

В 1947 году Дж. Барден, У. Браттерин и У. Шокли изобрели транзистор. Термин транзистор был дан Джоном Р. Пирсом. Хотя изначально он назывался твердотельной версией вакуумного триода, термин «транзистор» сохранился. В этой статье мы рассматриваем транзистор Bipolar Junction Transistor (BJT) .

Слово «транзистор» образовано от слов «переход» и «резистор», оно описывает работу BJT i.е. передача входного сигнала от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Этот тип транзистора состоит из полупроводников.

Транзисторы используются в создании интегральных схем (ИС). Количество транзисторов, которые мы смогли уместить в ИС, быстро увеличилось с момента их создания, удваиваясь примерно каждые 2 года (известный как закон Мура).

Итак, почему это называется переходным транзистором? Ответ кроется в конструкции.Мы уже знаем, что такое полупроводники p-типа и n-типа.

Теперь, в этом типе транзисторов, любой один тип полупроводников зажат между другим типом полупроводников. Например, n-тип может быть зажат между двумя полупроводниками p-типа, или аналогично один p-тип может быть зажат между двумя полупроводниками n-типа.

Как обсуждалось выше, они называются pnp-транзисторами и npn-транзисторами соответственно. Теперь, когда есть два перехода разных типов полупроводников, это называется переходным транзистором.Это называется биполярным, потому что проводимость происходит за счет как электронов, так и дырок.

Применение BJT

BJT используются в дискретной схеме, разработанной из-за наличия многих типов, и, очевидно, из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления, которое лучше, чем у MOSFET. BJT также подходят для высокочастотного применения.

Вот почему они используются в радиочастоте для беспроводных систем. Другим применением BJT можно назвать усилитель слабого сигнала, металлический фотоэлемент приближения и т. Д.

Усилитель биполярного транзистора

Чтобы понять концепцию усилителя биполярного транзистора , мы должны сначала взглянуть на схему p-n-p транзистора.


Теперь, когда входное напряжение немного изменяется, скажем, ΔV i напряжения эмиттер-база изменяет высоту барьера и ток эмиттера на ΔI E . Это изменение тока эмиттера вызывает падение напряжения ΔV O на сопротивлении нагрузки R L , где

ΔV O дает выходное напряжение усилителя.Имеется отрицательный знак, потому что ток коллектора дает падение напряжения на R L с полярностью, противоположной опорной полярности. Коэффициент усиления по напряжению A V для усилителя задается отношением выходных напряжений ΔV O к входному напряжению ΔV i , поэтому


называется коэффициентом усиления по току транзистора. Из приведенной выше диаграммы видно, что увеличение напряжения эмиттера уменьшает прямое смещение на переходе эмиттера, таким образом, уменьшает ток коллектора.

Указывает, что выходное напряжение и входное напряжение совпадают по фазе. Теперь, наконец, коэффициент усиления мощности Ap транзистора представляет собой соотношение между выходной мощностью и входной мощностью

Биполярный транзистор - обзор

5.01.2.1 Плотность тока коллектора

В отличие от гомопереходных Si BJT, наиболее выраженный постоянный ток явлением в SiGe HBT является увеличение плотности тока коллектора. В следующем анализе, чтобы получить выражение в замкнутой форме для тока коллектора, мы предполагаем случай преобладающих npn-транзисторов, хотя результаты в равной степени могут быть применены к pnp-транзисторам.Отдельно рассматриваются два случая: однородный состав Ge и градиентный состав Ge по нейтральному основанию.

Отправной точкой для обоих случаев является обобщенное соотношение Молла – Росса (Kroemer, 1985), которое представляет плотность тока коллектора в прямом активном режиме работы биполярных транзисторов:

(4) FC = qeqVBE / kT∫0WBNB ( x) DnB (x) niB2 (x) dx,

, где N B , D n B и n i B - концентрация допирования , константа диффузии электронов и собственная концентрация носителей, соответственно, в области нейтрального основания и W B - ширина нейтрального основания при смещении V BE .

Сначала рассмотрим случай однородного состава Ge. Если мы предположим однородную концентрацию легирования и, следовательно, постоянную равномерной диффузии по базовой области, плотность тока коллектора станет

(5) FC, SiGe, unif = qniB2DnBNBWBeqVBE / kT.

Теперь вспомним общее выражение для n i 2 , которое дается как:

(6) ni2 = (NCNV) e − Eg / kT,

, где E g - ширина запрещенной зоны, N C и N V - эффективная плотность состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.Тогда n iB 2 базовой области SiGe можно выразить как

(7) niB2 = (NCNV) SiGee− (EgB, Si − ΔEgB, SiGe) / kT,

, где Δ E gB, SiGe представляет собой уменьшение ширины запрещенной зоны из-за добавления Ge в базовую область. Из уравнений (7) и (5) плотность тока SiGe HBT с однородным составом Ge на основании определяется как (Harame et al. , 1995)

(8) FC, SiGe, unif = qDnB ( NCNV) BNBWBe− (EgB, Si − ΔEgB, SiGe) / kTeqVBE / kT = γηeΔEgB, SiGe / kT · FC, Si,

, где γ и η учитывают уменьшение эффективной плотности состояний и усиление деформации. подвижности неосновных носителей в базе SiGe по сравнению с аналогом Si:

(9) γ≜ (NCNV) SiGe (NCNV) Si

(10) η≜μn, SiGeμn, Si = Dn, SiGeDn, Si.

где μ n - подвижность неосновных электронов в основной области. J C, Si - плотность тока коллектора для гомоперехода Si BJT, которая задается как

(11) FC, Si = qni, Si2Dn, SiNBWBeqVBE / kT.

Следовательно, коэффициент увеличения плотности тока коллектора для SiGe HBT с однородным составом Ge равен γηeΔEgB, SiGe / kT. Поскольку произведение γη существенно не отличается от единицы, можно предположить, что усиление в основном определяется экспоненциальным множителем eΔEgB, SiGe / kT.При типичном диапазоне состава Ge 10–20% коэффициент усиления может составлять от ∼35 до ∼900 при комнатной температуре. Число может быть еще больше при более низких температурах.

Далее рассматривается база с градиентным составом Ge. Этот случай, безусловно, более сложен, поскольку нам нужно фактически выполнить интегрирование в текущем выражении, но вскоре будет показано, что мы все еще можем получить выражение в замкнутой форме, если градация является линейной. Если мы предположим однородную концентрацию легирования и введем усредненные по нейтральной базовой области значения для постоянной диффузии электронов и эффективной плотности состояний, которые обозначены тильдой, то плотность тока коллектора можно выразить как

(12) FC, SiGe , grad = q (N∼CN∼V) SiGee − EgB, Si / kTD∼nBNB∫0WBe − ΔEgB, SiGe (x) / kTdxeqVBE / kT,

, где Δ E gB, SiGe ( x ) представляет собой уменьшение ширины запрещенной зоны в основной области из-за добавления Ge в позиции x .Для линейно-градиентного состава Ge уменьшение ширины запрещенной зоны может быть приблизительно равно

(13) ΔEgB, SiGe (x) = ΔEgB, SiGe (WB) −ΔEgB, SiGe (0) WBx + ΔEgB, SiGe (0) = ΔEgB , SiGe (степень) WBx + ΔEgB, SiGe (0),

, где Δ E gB, SiGe (степень) определяется как общая градация ширины запрещенной зоны в нейтральной базовой области. Также мы можем определить усредненные факторы как

(14) γ∼≜ (N∼CN∼V) SiGe (NCNV) Si

(15) η∼≜D∼n, SiGeDn, Si.

Из уравнения (12) к уравнению (15) плотность тока коллектора SiGe HBT с линейно-градиентным составом Ge определяется как

(16) FC, SiGe, grad = γ∼η∼eΔEgB, SiGe (0) / kTΔEgB, SiGe (степень) kT (1 − e − ΔEgB, SiGe (степень) / kT) × qni, Si2Dn, SiNBWBeqVBE / kT = γ∼η∼eΔEgB, SiGe (0) / kTΔEgB, SiGe (степень) kT ( 1 − e − ΔEgB, SiGe (марка) / kT) ⋅FC, Si.

Следовательно, коэффициент увеличения плотности тока коллектора для SiGe HBT с линейно-градиентным составом Ge определяется как

γ∼η∼eΔEgB, SiGe (0) / kTΔEgB, SiGe (степень) kT (1 − e − ΔEgB, SiGe (марка) / тыс. Т).

Для типичной градации Ge 10–20% экспоненциальным членом в знаменателе можно пренебречь, и в этом случае коэффициент усиления будет уменьшен до

γ∼η∼eΔEgB, SiGe (0) / kTΔEgB, SiGe ( сорт) кт.

По сравнению со случаем однородного состава Ge, показатель степени в экспоненциальном члене, Δ E gB, SiGe , теперь является конкретным значением на краю нейтральной базы со стороны эмиттера, а не значением по всей базе область, край.Кроме того, линейный коэффициент Δ E gB, SiGe / kT оказывает дополнительный эффект на улучшение. Другими словами, есть два фактора, экспоненциальный и линейный, которые способствуют увеличению плотности тока коллектора для случая градиентного состава Ge. Экспоненциальный множитель определяется составом Ge в начальной точке сортировки по нейтральному основанию. Линейный коэффициент определяется суммой общей градации по нейтральной базовой области.Поскольку линейный фактор не очень существенен в своем влиянии, состав Ge на эмиттерной стороне нейтральной базы должен поддерживаться на значительном уровне для достижения достаточно большого увеличения плотности тока коллектора.

Обратите внимание, что приведенный выше анализ не учитывал явный эффект сужения запрещенной зоны из-за сильного легирования. Если учесть этот эффект, фактическая плотность тока коллектора будет больше в eΔEgBapp / kT раз, чем предоставленный анализ, где Δ E gB app представляет собой видимое сужение запрещенной зоны из-за сильного легирования.Однако его влияние на коэффициент усиления по сравнению с Si BJT с гомопереходом будет незначительным, если сужение будет одинаковым для Si и SiGe-базы.

Биполярный переходной транзистор (BJT)

Биполярный переходный транзистор (BJT) (Внешняя ссылка в Википедии)

Биполярный переходный транзистор (BJT) имеет три терминала, подключенных к трем. легированные полупроводниковые области. В NPN-транзисторе тонкий и слегка легированный База P-типа зажата между сильно легированным эмиттером N-типа и другой коллектор N-типа ; в то время как в транзисторе PNP тонкий и слаболегированный N-тип основание зажато между сильно легированным P-типом Эмиттер и другой коллектор П-типа .В дальнейшем мы будем рассматривать только NPN BJT.

На многих схемах транзисторных цепей (особенно при наличии большое количество транзисторов в схеме) кружок в условном обозначении транзистор отсутствует. На рисунках ниже показано сечение двух Транзисторы NPN. Обратите внимание, что хотя и коллектор, и эмиттер Транзисторы изготовлены из полупроводникового материала N-типа, полностью разная геометрия и поэтому не подлежат замене местами.

Все ранее рассмотренные компоненты (резистор, конденсатор, катушка индуктивности и диод) имеют два вывода (вывода) и поэтому могут характеризоваться единственное соотношение между протекающим током и напряжением через два отведения. Иначе транзистор - это трехконтактный компонент, которую можно рассматривать как двухпортовую сеть с входным портом и выходной порт, каждый из которых образован двумя из трех терминалов и характеризуется соотношением входных и выходных токов и напряжений.

В зависимости от того, какая из трех клемм используется в качестве общей клеммы, существует может быть три возможных конфигурации для двухпортовой сети, образованной транзистор:

  • Общий эмиттер (CE),
  • Общая база (CB),
  • Коллектор общий (ГК).

  • Конфигурация Common-Base (CB)

    Конфигурацию CB можно рассматривать как схему с 2 портами. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и база.Применяются два напряжения и соответственно к эмиттеру и коллектору, относительно общая база, так что соединение BE смещено вперед, в то время как Переход CB имеет обратное смещение.

    Полярность и направление, связанные с PN-переходы между E и B такие же, как и связанные с диод, полярность напряжения: положительный на P, отрицательный на N, ток направление: от P до N, но и направление связаны с PN-переходом между базой и коллектором. определяется противоположным образом.

    Поведение NPN-транзистора определяется двумя его PN-переходами:

    • PN-переход база-эмиттер (BE) с прямым смещением позволяет основные носители заряда, электроны, в эмиттере N-типа, чтобы идти через PN-переход, чтобы добраться до базы P-типа, образуя эмиттерный ток.
    • Поскольку основание тонкое и слегка легированное, только небольшое количество электроны из эмиттера (например, 1%) объединяются с большинство носителей, отверстия, в основании P-типа для формирования основания Текущий .Процент зависит от легирования и геометрии материала.
    • Большая часть электронов из эмиттера (например, 99%), теперь неосновные носители в базе P-типа, могут пройти через обратный смещенный PN-переход коллектор-база для прихода к коллектору N-типа формирование коллекторного тока .

    Коэффициент усиления по току или коэффициент передачи тока этой цепи выключателя, обозначается, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а ток эмиттера рассматривается как Вход:

    e.грамм. (8)
    т.е.

    Соотношения между током и напряжением как на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

    • Входные характеристики:

      Входной ток является функцией, а также входного напряжение, которое намного преобладает:

      (10)
      Обратите внимание, что это мало влияет на. Здесь и связанный с PN-переходом эмиттер-база удовлетворяют соотношению для диода:
      (11)
      Напряжение на смещенном в прямом направлении PN-переходе можно приблизительно определить от .
    • Выходные характеристики:

      Выходной ток зависит от выходного напряжения. а также входной ток, который намного преобладает:

      (12)
      As, т.е. переход CB обратный предвзято, ток зависит только от. Когда , ток, вызванный пересечением неосновных носителей заряда PN-переход. Это похоже на диод ток-напряжение. характеристики, показанные ранее, за исключением того, что обе оси перевернуты ( полярность и направление противоположно определены).Когда увеличивается, является соответственно увеличился. Однако, поскольку выше не вызывает больше электронов у эмиттера, на это мало влияет.

      Обратите внимание, что когда PN-переход между базой и коллектором не смещен (закорочен), все равно ненулевой коллектор ток, образованный электронами, выходящими из эмиттера, через оба PN-перехода, чтобы сформировать ток замкнутого контура.

  • Конфигурация с общим эмиттером (CE)

    Два напряжения и приложены соответственно к базе и коллектор по отношению к общему эмиттеру.Обычно , т.е. переход BE смещен вперед, в то время как CB переход имеет обратное смещение, как и конфигурация CB. Напряжения конфигураций CB и CE связаны между собой:

    или (13)

    Конфигурацию CE можно рассматривать как схему с 2 портами. Вход Порт образован эмиттером и базой, выходной порт образован коллектор и эмиттер. Текущее усиление цепи CE, обозначенное по, определяется как отношение между током коллектора рассматривается как выход, а базовый ток - как вход:

    (14)
    Например, если , тогда .

    Эти два параметра и связаны любым из следующий:

    (15)

    Соотношения между током и напряжением как на входе и выходные порты описываются следующими входами и выходами характеристики.

Соотношение между входным и выходным токами CB и CE конфигурации приведены ниже:

(18)
  • Общая база:



  • Общий эмиттер:



Коллекторные характеристики с общей базой (CB) и с общим эмиттером (CE) конфигурации имеют следующие отличия:

  • В цепи выключателя немного меньше, а в цепи CE намного больше, чем.
  • В цепи выключателя, когда; в то время как в цепи CE когда (как имеет подавляющий эффект).
  • Увеличено немного увеличится, но больше сильно увеличить , тем самым вызывая больше значительно увеличился.
  • в CB является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе. в CE является функцией двух переменных и, но первое гораздо более значимо, чем второе.
  • в CB является функцией двух переменных и.Когда маленький, его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение из . Но его дальнейшее увеличение не вызовет значительных изменений в должной мере. до насыщения (все доступные носители заряда движутся со скоростью насыщения прибыть в коллектор C), в основном определяется.
  • в CE является функцией двух переменных и. Когда мал ( ), его небольшое увеличение вызовет значительное увеличение. Но когда , его дальнейшее увеличение не вызовет больших изменений из-за насыщения (весь доступный заряд носители движутся со скоростью насыщения и достигают коллектора C), в основном определяется.

Различные параметры транзистора изменяются в зависимости от температуры. Например, увеличивается вместе с температурой.

DoITPoMS - Библиотека TLP Введение в полупроводники

Представьте себе, что два соединения p-n соединяются спина к спине. Это основная структура биполярного транзистора. Это называется биполярным, потому что и электроны, и дырки переносят ток в устройстве. Биполярные транзисторы могут иметь конфигурацию n - p - n или p - n - p .Схема устройства в конфигурации n - p - n показана ниже. Используйте кнопки для навигации по анимации.

На анимации выше показано три контакта транзистора. Это (i) эмиттер, (ii) база и (iii) коллектор. Эмиттер и коллектор изготовлены из легированного материала типа n , а основа - из материала, легированного p . Они часто обозначаются буквами E, B и C.

При прямом смещении, применяемом к переходу эмиттер-база, и обратном смещении, применяемом к переходу база-коллектор, полосы деформируются, как показано на анимации.Потенциальный барьер для диффузии электрона из эмиттера в базу относительно невысок. Электроны, инжектируемые из эмиттера, затем диффундируют через тонкую базовую область, прежде чем будут ускорены сильным обратным смещенным полем между базой и коллектором. Обратите внимание, что, хотя электроны находятся в основной области, они являются неосновными носителями. Основание должно быть тонким, чтобы электроны, диффундирующие через него, не терялись из-за рекомбинации с отверстием, то есть с основным носителем заряда в области основания.При рекомбинации происходит не только уменьшение электронного тока, но и рассеивание тепла в этом процессе, что также нежелательно.

Изменение базового напряжения изменяет размер потенциального барьера для передачи электронов от эмиттера. Таким образом, напряжение эмиттер-база можно использовать для модуляции тока от эмиттера к коллектору. Приложенное напряжение также можно использовать для полной остановки тока, протекающего через устройство, фактически используя транзистор в качестве переключателя.Именно эта функция переключения используется в логических схемах, например, в компьютерах. Замкнутый переключатель представляет собой двоичный 0 (ток от эмиттера к коллектору не течет), а открытый переключатель - это двоичная 1 (ток происходит между эмиттером и коллектором).

предыдущая | следующий

В чем разница между MOSFET и BJT?

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ - MOSFET VS. BJT В чем разница между MOSFET и BJT?

Автор / Редактор: Люк Джеймс / Erika Granath

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) и биполярный переходный транзистор (BJT) - это два типа транзисторов, которые поставляются в различных корпусах, и тем, кто не знаком с электроникой, часто сложно решить, какой из них следует использовать. в своих проектах.

Связанные компании

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному.

(Источник: Юрий Захачевский)

Хотя и MOSFET, и BJT являются транзисторами, они работают по-разному и ведут себя по-разному, поэтому используются по-разному.

Что такое полевой МОП-транзистор?

Рисунок 1: Структура полевого МОП-транзистора.

(Источник: Electronic Tutorials)

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) - это разновидность полевого транзистора (FET) , который состоит из трех выводов - затвора, истока и стока. В полевом МОП-транзисторе сток управляется напряжением на выводе затвора, поэтому полевой МОП-транзистор является устройством, управляемым напряжением. Напряжение, приложенное к затвору, определяет, сколько тока течет в сток. MOSFET доступны двух типов: « p-channel » и « n-channel ».Оба эти типа могут находиться в режиме увеличения или истощения (см. Рисунок 1). Это означает, что всего существует четыре различных типа полевых МОП-транзисторов.

В полевых МОП-транзисторах с каналом p-типа выводы истока и стока выполнены из полупроводника p-типа. Аналогичным образом, в n-канальных полевых МОП-транзисторах выводы истока и стока сделаны из полупроводника n-типа. Сам вывод затвора сделан из металла и отделяется от выводов истока и стока с помощью оксида металла. Такой уровень изоляции обеспечивает низкое энергопотребление и является основным преимуществом транзисторов этого типа.Часто полевые МОП-транзисторы используются в маломощных устройствах или в качестве строительных блоков для снижения энергопотребления.

Режим истощения: Когда напряжение на клемме затвора низкое, канал демонстрирует максимальную проводимость. Поскольку напряжение на зажимах затвора является положительным или отрицательным, проводимость канала снижается.

Режим улучшения: , когда напряжение на клемме затвора низкое, устройство не проводит ток, если на клемму затвора не подается большее напряжение.

Что такое BJT?

Биполярный переходной транзистор (BJT) - это устройство, управляемое током (в отличие от MOSFET, управляемое напряжением), которое, среди прочего, широко используется в качестве усилителя, генератора или переключателя.Биполярный транзистор имеет три контакта - базу, коллектор и эмиттер - и два перехода: p-переход и n-переход.

Существует два типа BJT - PNP и NPN . Каждый тип имеет большой коллекторный элемент и большой эмиттерный элемент, которые легированы одинаковым образом. Между этими структурами находится небольшой слой другого легирующего агента, называемого «основой». Ток течет в коллекторе PNP и выходит из эмиттера. В NPN полярность противоположная, и ток течет в эмиттере и выходит из коллектора.В любом случае направление тока в базе такое же, как и на коллекторе.

Рисунок 2: Принцип работы BJT.

(Источник: Electronic Tutorials)

По сути, работа BJT-транзистора определяется током на его базовом выводе. Например, небольшой базовый ток равен небольшому току коллектора. Выходной ток BJT всегда равен входному току, умноженному на коэффициент, известный как «усиление», обычно в 10-20 раз превышающий базовый ток.

MOSFET vs BJT: в чем разница?

Рисунок 3: Разница между BJT и MOSFET.

(Источник: Electronic Tutorials)

Между MOSFET и BJT есть много различий.

  • MOSFET (управляемый напряжением) представляет собой металлооксидный полупроводник, тогда как BJT (управляемый током) представляет собой транзистор с биполярным переходом.
  • Хотя оба имеют по три клеммы, они отличаются.MOSFET имеет исток, сток и затвор, тогда как BJT имеет базу, эмиттер и коллектор.
  • MOSFET идеально подходят для приложений большой мощности, тогда как BJT чаще используются в приложениях с низким током.
  • BJT зависит от тока на его базовом выводе, тогда как MOSFET зависит от напряжения на электроде затвора с оксидной изоляцией.
  • Структура MOSFET по своей природе более сложна, чем структура BJT.

Что лучше?

И MOSFET, и BJT имеют уникальные характеристики, а также свои плюсы и минусы.К сожалению, мы не можем сказать, что «лучше», потому что вопрос очень субъективен. На этот вопрос нет однозначного и однозначного ответа.

При выборе того, что использовать в проекте, необходимо учитывать множество различных факторов, чтобы прийти к решению. К ним относятся уровень мощности , напряжение привода, эффективность, стоимость и скорость переключения, среди прочего - вот где действительно полезно знать ваш проект!

Как правило, полевые МОП-транзисторы более эффективны в источниках питания.В устройстве с батарейным питанием, где нагрузка переменная, а источник питания ограничен, например, использование BJT было бы плохой идеей. Однако, если BJT используется для питания чего-то с предсказуемым потреблением тока (например, светодиодов), тогда это будет хорошо, потому что ток база-эмиттер может быть установлен на долю тока светодиода для повышения эффективности.

(ID: 46385462)

Биполярный переходной транзистор

| pnp bjt hbt jfet npn Transistor - Электротехника 123

Что такое транзистор

Транзистор представляет собой трехслойное полупроводниковое устройство, которое состоит из:

  • двух слоев n-типа и одного слоя материала p-типа, который называется npn-транзистором
  • два слоя p-типа и один слой материала n-типа, который называется pnp-транзистором

Существует два основных типа транзисторов i.д. биполярный переходный транзистор или полевой транзистор BJT и FET , которые используются в двух широких областях: линейный усилитель для усиления или усиления электрического сигнала и в качестве электронного переключателя.

History Of Transistor / bjt

Транзистор был изобретен группой из трех человек в Bell Laboratories в 1947 году. Хотя это не был биполярный транзистор BJT, это было начало технологической революции, которая продолжается до сих пор. Сегодня все электронные устройства и системы являются результатом ранних разработок полупроводниковых транзисторов.

Структура транзистора BJT

BJT состоит из трех легированных полупроводниковых областей, разделенных двумя pn-переходами, которые называются эмиттером, базой и коллектором. Один тип биполярного переходного транзистора bjt состоит из двух n-областей, разделенных p-областью ( npn-транзистор ), а другой тип состоит из двух p-областей, разделенных n-областью ( pnp-транзистор ).

Структура базового биполярного транзистора BJT
Переходы в BJT

Р-n-переход, соединяющий область базы и область эмиттера, называется переходом база-эмиттер bej .Р-n переход, соединяющий базовую область и коллекторную область, называется переходом база-коллектор bcj .

Клеммы EBC биполярного транзистора - Принцип работы транзистора

К каждой из трех областей подключается провод, и эти выводы обозначены E, B и C для эмиттера, базы и коллектора соответственно. Базовая область слабо легирована и очень тонка по сравнению с сильно легированным эмиттером и умеренно легированными областями коллектора. Термин биполярный относится к использованию как дырок, так и электронов в качестве носителей в структуре транзистора.

Принципиальная схема биполярного переходного транзистора
Работа биполярного переходного транзистора

Ниже показано правильное устройство смещения для транзисторов npn и pnp для их активной работы в качестве усилителя. В обоих случаях переход база-эмиттер BEJ смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор (BC) смещен в обратном направлении. Прямое смещение от базы к эмиттеру сужает область истощения БЭ, а обратное смещение от базы к коллектору расширяет область истощения ЧУ. Сильнолегированная область эмиттера n-типа изобилует (свободными) электронами зоны проводимости, которые легко диффундируют через смещенный вперед BE-переход в базовую область p-типа, где они становятся неосновными носителями.Базовая область слегка легирована и очень тонкая, поэтому имеет ограниченное количество отверстий. Таким образом, только небольшой процент всех электронов, проходящих через переход BE, , может объединиться с доступными отверстиями в основании. Эти относительно немногочисленные рекомбинированные электроны выходят из основного вывода в виде валентных электронов, вызывая небольшой ток основного электрона, как показано на рисунке.

Попав в эту область, электроны протягиваются через смещенный в обратном направлении переход BC под действием электрического поля, создаваемого силой притяжения между положительными и отрицательными ионами.На самом деле вы можете представить себе электроны, тянущиеся через обратносмещенный переход BC за счет притяжения напряжения питания коллектора. Электроны теперь движутся через область коллектора, выходят через вывод коллектора и попадают на положительный вывод источника напряжения коллектора. Это формирует ток электронов коллектора, как показано на рисунке. Коллекторный ток намного больше, чем ток базы. Это причина того, что транзисторы демонстрируют усиление по току.

Выше было краткое введение в биполярный транзистор BJT с несколькими изображениями. Вы можете посмотреть видео ниже, чтобы понять работу транзистора.

Видеообъяснение принципа работы биполярного переходного транзистора

Биполярный переходной транзистор - конструкция, типы и методы соединения

Это имя обозначает устройство, имеющее передаточные резисторы. Поскольку мы видели, что полупроводник обеспечивает меньшее сопротивление течению тока в одном направлении и высокое сопротивление в другом направлении, мы называем устройство из полупроводников транзистором.
Существует два основных типа транзисторов:

.
  1. Точечный контакт
  2. Переходный транзистор

Переходные транзисторы используются чаще, чем точечные транзисторы.Их отдают предпочтение из-за их прочности и небольшого размера. Переходные транзисторы делятся на два типа

  1. PNP
  2. НПН

Каждый имеет 3 электрода, называемых эмиттером, базой и коллектором. В зависимости от типа они изготавливаются из полупроводников типа P и N.

ТРАНЗИСТОР

Транзистор был изобретен Уильямом Шокли в 1947 году. Транзистор состоит из двух PN-переходов. Переходы формируются путем наложения полупроводниковых слоев P-типа или N-типа между парой противоположных типов.Существует два типа транзисторов: один называется транзистором PNP, а другой - транзистором NPN.

PNP-транзистор состоит из двух полупроводников P-типа, разделенных тонкой секцией N-типа, как показано на рисунке (a). Точно так же транзистор NPN состоит из двух полупроводников N-типа, разделенных тонкой секцией P-типа, как показано на рисунке (а). символы, используемые для транзисторов PNP и NPN, также показаны на диаграммах.

По сути, транзистор состоит из трех частей, известных как эмиттер, база и коллектор.Часть с одной стороны является эмиттером, а часть с противоположной стороны - коллектором. Средняя часть называется базой и образует два перехода между эмиттером и коллектором.

ЭМИТТЕР

Часть на одной стороне транзистора, которая поставляет носители заряда (то есть электроны или дырки) на две другие части. Эмиттер представляет собой сильно легированную область. Эмиттер всегда смещен в прямом направлении относительно базы, так что он может поставлять большое количество основных несущих.В обоих транзисторах PNP и NPN эмиттерный базовый переход всегда должен быть смещен в прямом направлении. Эмиттер PNP-транзистора подает дырочные заряды на его стыки с базой. Точно так же эмиттер PNP-транзистора подает свободные электроны к его стыку с базой.

КОЛЛЕКТОР

Часть на другой стороне транзистора (то есть сторона, противоположная эмиттеру), которая собирает носители заряда (то есть электроны или дырки). Коллектор всегда больше, чем эмиттер и база транзистора.Уровень легирования коллектора находится между сильным легированием эмиттера и легким легированием базы. В обоих транзисторах PNP и NPN коллектор-база всегда должна иметь обратное смещение. Его функция заключается в удалении носителей заряда из соединения с базой. Коллектор транзистора PNP принимает дырочные заряды, которые текут в выходной цепи. Точно так же коллектор NPN-транзистора принимает электроны.

ОСНОВАНИЕ

Среднее зелье, которое образует два PN перехода между эмиттером и коллектором, называется базой.База транзистора тонкая по сравнению с эмиттером и представляет собой слаболегированный участок. Функция базы - управлять потоком носителей заряда. Эмиттерные переходы смещены в прямом направлении, что позволяет использовать эмиттерную цепь с низким сопротивлением. Коллекторный переход базы имеет обратное смещение и показывает высокое сопротивление в цепи коллектора.

КОНСТРУКЦИЯ ТРАНЗИСТОРА

Технологии, используемые для изготовления транзисторов, приведены ниже:

  1. Выросший переход
  2. Переходник из сплава или плавленого сплава
  3. диффузное соединение
  4. Эпитаксиальный переход
  5. Точечный контактный переход

Выросший переход

Это соединение подготовлено с использованием техники Чохральского или плавающей зоны.Аппарат, используемый для техники Чохральского, показан на рисунке ниже. Он состоит из графитового тигля, кварцевого контейнера, вращающегося тянущего стержня и катушек индукционного нагрева, размещенных вокруг графитового тигля. Графитовый тигель содержит расплавленный полупроводниковый материал.

Прежде всего, одиночная затравка полупроводника погружается в расплавленный полупроводник. Затем он постепенно извлекается, при этом стержень, удерживающий посевной материал, медленно вращается. PN-переходы выращивают, сначала добавляя примеси P-типа в расплав, а затем меняя его на N-тип.

Сплав из сплава или плавленого сплава

Метод сплавных соединений позволяет получать PN-переходы с высокими значениями пикового напряжения и тока (PIV). Такие переходы имеют большую емкость из-за их большой площади перехода. В методе соединения сплава небольшая точка алюминия помещается на кремниевую воду N-типа, как показано на рисунке (d). Его нагревают до температуры около 150С. При этой температуре алюминий плавится и растворяет часть кремния. Затем его температура понижается, и кремний повторно замерзает, образуя монокристалл с PN-переходом, как показано на рисунке.

диффузное соединение

Этот метод дает нам точный контроль концентрации примесей для изготовления PN перехода. Кремниевая пластина N-типа, называемая подложкой (или основанием), подвергается воздействию газообразной примеси P-типа, как показано на рисунке (e). Затем пластина нагревается до достаточно высокой температуры, при которой примеси медленно диффундируют в поверхность воды. После диффузии части поверхности защищаются, а остальные вытравливаются, как показано на рисунке.

Эпитаксиальный переход

Этот переход отличается от диффузного перехода только в одном аспекте: переход создается не на подложке, а на эпитаксиальном слое, выращенном над подложкой.Эпитаксиальные переходы обладают преимуществом низкого сопротивления.

Точечный контактный переход

Он состоит из полупроводниковой пластины N-типа (кремния или германия), одна сторона которой припаяна к металлическому основанию, а другая сторона имеет пружину из фосфористой бронзы (или вольфрама) (называемую усами Кошки), прижатую к ней, как показано на Рисунок (f). Вся сборка заключена в керамическую или стеклянную оболочку для придания ей механической прочности.

PN-переход образуется при пропускании большого тока (около 200 мА) длительностью от 1 до 100 миллисекунд.Переход образуется в точке контакта из-за плавления поверхности кремния и диффузии материала нитевидных кристаллов на поверхность в этой точке, как показано на рисунке (f).

Точечный переход имеет очень низкое значение емкости. По этой причине такие переходы очень удобны для работы на частотах до 10 ГГц.

Режимы работы BJT

Биполярный транзистор имеет два перехода. Каждый переход может иметь прямое или обратное смещение независимо.Таким образом, существует четыре режима работы:

  1. Вперед Актив
  2. Отрезать
  3. Насыщенность
  4. Реверс активен

ПЕРЕДНЯЯ АКТИВНАЯ

В этом режиме работы переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Транзистор ведет себя как источник. Благодаря управляемым характеристикам источника BJT может использоваться как усилитель и в аналоговых схемах.

ОТРЕЗАТЬ

Когда оба перехода имеют обратное смещение, это называется режимом отсечки.В этой ситуации ток почти равен нулю, и транзистор ведет себя как разомкнутый ключ.

НАСЫЩЕНИЕ

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, большой ток коллектора течет с небольшим напряжением через переход коллектор-база. Транзистор ведет себя как замкнутый переключатель.

ОБРАТНЫЙ АКТИВ

Это противоположно прямому активному режиму, потому что в этом базовом переходе эмиттера имеется обратное смещение, а базовое соединение коллектора смещено в прямом направлении. Это называется инвертированным режимом.Он не подходит для усиления.
Однако обратный активный режим находит применение в цифровых схемах и некоторых аналоговых схемах переключения.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *