Устройство и работа транзистора: Эта страница ещё не существует

Устройство и работа биполярного транзистора

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки.

Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов.

У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего.

У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля.

В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter).

Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера.

Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN.

Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС.

Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.

Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная.

Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора.

Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление.

Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить.

Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V.

Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0. 6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

3. Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC.

Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.

1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились.

Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся».

Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β.

В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC.

Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора.

В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы.

В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор.

Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме.

Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора IС к току базы IB. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках.

Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной.

Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления.

Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше.

Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление Rout = 0 (Rвых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах.

На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Биполярные транзисторы. For dummies

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу. Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т. е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

   Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

   Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

   ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

   Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов. Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом. В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org http://www.physics.ru http://radiocon-net.narod.ru http://radio.cybernet.name http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

•  
• База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.
• Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.
• Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база.

Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы.

Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора.

Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе.

Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении.

Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.

  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции. 

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода.

Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу.

Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6.

А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр.

Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

2. Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 
3. Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

• От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.
• Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока. 
• Токи в транзисторе можно представить следующим образом
•  
• Основное соотношение для токов транзистора 
• Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.33 (9 Голоса)

Биполярный транзистор: принцип работы

В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств.

Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии.

 Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы  по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1.  Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы  база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов.  Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном  направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и  имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель  hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером  и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок , ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

Биполярный транзистор  принцип работы

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу.

Таким образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера.

 Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток.

Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток.

Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

Устройство и основные физические процессы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу.

Средний слой и соответствующий вывод называют базой (Б), один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером (Э), а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором (К).

Дадим схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n

(рис. 1.51, а) и два допустимых варианта условного графического обозначения (рис. 1.51, б).

Транзистор типа p-n-p устроен аналогично, упрощенное изображение его структуры дано на рис. 1.52, а, более простой вариант условного графического обозначения — на рис. 1.52, б.

Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Но в различных типах транзисторов роль электронов и дырок различна.

Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p— дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки.

Важно отметить, что реально площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая несимметрия значительно улучшает свойства транзистора.

Количественное своеобразие структуры транзистора

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Основные физические процессы в транзисторе

Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее.

С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 1.55).

Тогда через эмиттерный переход потечет ток iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы iб. Из изложенного следует, что iб

Как работает транзистор: принцип и устройство

Транзистор – прибор, предназначенный для управления током в электрической цепи. Применяется практически во всех моделях видео- и аудио аппаратуры.

Полупроводниковые транзисторы пришли на смену морально устаревшим ламповым, которые устанавливались в старые телевизоры.

Для изготовления полупроводниковых моделей ранее использовался германий, но сферы его применения ограничены из-за чувствительности к температурным колебаниям. На смену германию пришел кремний, т.к.

кремниевые детали стоят дешевле германиевых и более устойчивы к скачкам температуры. Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических цилиндрических. В этой статье мы постараемся простыми словами изложить, что такое транзистор, как он устроен и что делает.

Транзисторы

Устройство транзисторов

Наиболее популярный вид полупроводникового транзистора – биполярный. В устройство транзистора этого типа входит монокристалл, разделенный на 3 зоны: база (Б), коллектор (К) и эмиттер (Э), каждая из которых имеет свой вывод.

• Б – база, очень тонкий внутренний слой;
• Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу;
• К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Типы проводимости:

• n-типа — носителями зарядов являются электроны.
• p-типа — носители зарядов – положительно заряженные «дырки».

Требуемый тип проводимости достигается путем легирования различных частей кремниевого монокристалла. Легирование – это добавление в состав материала различных примесей для улучшения физических и химических свойств этого материала. Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p.

Принцип работы транзистора

Транзистор работает в режимах «Открыто» и «Закрыто». Рассмотрим, как работает транзистор биполярного типа на уровне «чайников», и на каких физических процессах основано его функционирование. В таком транзисторе коллектор и эмиттер сильно легированы, база тонкая, содержит малое количество примесей.

Простое изложение принципа работы биполярного транзистора:

• Подключение к зажимам одноименного напряжения к эмиттеру и базе (p подсоединяется к «+», а n – к «-») приводит к появлению тока между эмиттером и базой. В базе образуются носители зарядов. Чем выше напряжение, тем больше количество носителей зарядов появляется в базе. Ток, подаваемый на базу, называется управляющим.
• Если к коллектору подключить обратное напряжение (n-коллектор подключается к плюсу, p-коллектор – к минусу), то между эмиттером и коллектором появится разница потенциалов, и между ними потечет ток. Чем больше носителей заряда скапливается в базе, тем сильнее будет ток между коллектором и эмиттером.
• При увеличении управляющего напряжения на базе растет ток «эмиттер-коллектор». Причем несущественный рост напряжения приводит к значительному усилению тока «эмиттер-коллектор». Этот принцип используется при производстве усилителей.

Если к эмиттеру и базе подключают напряжение, противоположное по знаку, ток прекращается, и транзистор переходит в закрытое состояние.

Кратко принцип работы полупроводникового транзистора можно изложить так: при подключении к зажимам эмиттера и базы напряжения одноименного заряда прибор переходит в открытое состояние, при подключении к этим выводам обратных зарядов транзистор закрывается.

Как работает транзистор — видео

Другие материалы по теме

Анатолий Мельник

Специалист в области радиоэлектроники и электронных компонентов. Консультант по подбору деталей в компании РадиоЭлемент.

Транзистор — принцип работы.Основные параметры.

Как устроен транзистор.

Вне зависимости от принципа работы, полупроводниковый транзистор содержит в себе монокристалл из основного полупроводникового материала, чаще всего это — кремний, германий, арсенид галлия. В основной материал добавлены, легирующие добавки для формирования p-n перехода(переходов), металлические выводы.

Кристалл помещается в металлический, пластиковый или керамический корпус, для защиты от внешних воздействий. Однако, существуют также и бескорпусные транзисторы.

Принцип работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор может быть либо p-n-p, либо n-p-n в зависимости от чередования слоев полупроводника в кристалле. В любом случае выводы называются — база, коллектор и эмиттер. Слой полупроводника, соответствующий базе заключен между слоями эмиттера и коллектора. Он имеет принципиально очень малую ширину. Носители заряда движутся от эмиттера через базу — к коллектору. Условием возникновения тока между коллектором и эмиттером является наличие свободных носителей в области базы. Эти носители проникают туда при возникновении тока эмиттер-база. причиной которого может являться разность напряжения между этими электродами.

Т.е. — для нормальной работы биполярного транзистора в качестве усилителя сигнала всегда необходимо присутствие напряжения некого минимального уровня, для смещения перехода эмиттер-база в прямом направлении. Прямое смещение перехода база-эмиттер приоткрывая транзистор, задает так называемую — рабочую точку режима. Для гармоничного усиления сигнала по напряжению и току используют режим — А. В этом режиме напряжение между коллектором и нагрузкой, примерно равно половине питающего напряжения — т. е выходное сопротивление транзистора и нагрузки примерно равны . Если подавать теперь на переход база — эмиттер сигнал переменного тока, СОПРОТИВЛЕНИЕ эмиттер — коллектор будет изменяться, графически повторяя форму входного сигнала. Соответственно, то же будет происходить и с током через эмиттер к коллектору протекающим. Причем амплитуда тока будет большей, нежели амплитуда входного сигнала — будет происходить усиление сигнала.

Если увеличивать напряжение смещения база — эмиттер дальше, это приведет к росту тока в этой цепи, и как результат — еще большему росту тока эмиттер — коллектор. В конце, концов ток перестает расти — транзистор переходит в полностью открытое состояние(насыщения). Если затем убрать напряжение смещения — транзистор закроется, ток эмиттер — коллектор уменьшится, почти исчезнет. Так транзистор может работать в качестве электронного ключа. Этот режим наиболее эффективен в отношении управления мощностями, при протекании тока через полностью открытый транзистор величина падения напряжения минимальна. Соответственно малы потери тока и нагрев переходов транзистора.

Существует три вида подключения биполярного транзистора. С общим эмиттером (ОЭ) — осуществляется усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема.
Усилительные каскады построенные подобным образом, легче согласуются между собой, так как значения их входного и выходного сопротивления относительно близки, если сравнивать с двумя остальными видами включения (хотя иногда и отличаются в десятки раз).

С общим коллектором (ОК) осуществляется усиление только по току — применяется для согласования источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением(импендансом) и низкоомными сопротивлениями нагрузок. Например, в выходных каскадах усилителей и контроллеров.

С общей базой (ОБ) осуществляется усиление только по напряжению. Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление и более широкий частотный диапазон. Это позволяет использовать подобное включение для согласования источников сигнала с низким внутренним сопротивлением(импендансом) с последующим каскадом усиления. Например — в входных цепях радиоприемных устройств.

Принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор, как и биполярный имеет три электрода. Они носят названия — сток, исток и затвор. Если на затворе отсутствует напряжение, а на сток подано положительное напряжение относительно истока, то между истоком и стоком через канал течет максимальный ток.

Т. е. — транзистор полностью открыт. Для того, что бы его изменить, на затвор подают отрицательное напряжение, относительно истока. Под действием электрического поля (отсюда и название транзистора) канал сужается, его сопротивление растет, а ток через него уменьшается. При определенном значении напряжения канал сужается до такой степени, что ток практически исчезает — транзистор закрывается.

На рисунке изображено устройство полевого транзистора с изолированным затвором(МДП).

Если на затвор этого прибора не подано положительное напряжение, то канал между истоком и стоком отсутствует и ток равен нулю. Транзистор полностью закрыт. Канал возникает при некотором минимальном напряжении на затворе(напряжение порога). Затем сопротивление канала уменьшается, до полного открывания транзистора.

Полевые транзисторы, как с p-n переходом (канальные), так и МОП (МДП) имеют следующие схемы включения: с общим истоком (ОИ) — аналог ОЭ биполярного транзистора; с общим стоком (ОС) — аналог ОК биполярного транзистора; с общим затвором (ОЗ) — аналог ОБ биполярного транзистора.

По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы — до 100 мВт ;
транзисторы средней мощности — от 0,1 до 1 Вт;
мощные транзисторы — больше 1 Вт.

Важные параметры биполярных транзисторов.

1. Коэффициент передачи тока(коэффициент усиления) — от 1 до 1000 при постоянном токе. С увеличением частоты постепенно снижается.
2. Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером(при разомкнутой базе) У специальных высоковольтных транзисторов, достигает десятков тысяч вольт.
3.Предельная частота, до которой коэффициент передачи тока выше 1. До 100000 гц. у низкочастотных транзисторов, свыше 100000 гц. — у высокочастотных.
4.Напряжение насыщения эмиттер-коллектор — величина падения напряжения между этими электродами у полностью открытого транзистора.

Важные параметры полевых транзисторов.

Усилительные свойства полевого транзистора определяются отношением приращения тока стока к вызвавшему его приращению напряжения затвор — исток, т. е.

ΔI_d /ΔU_GS

Это отношение принято называть крутизной прибора, а по сути дела оно является передаточной проводимостью и измеряется в миллиамперах на вольт(мА /В).

Другие важнейшие параметры полевых транзисторов приведены ниже:
1. I_Dmax — максимальный ток стока.

2.U_DSmax — максимальное напряжение сток-исток.

3.U_GSmax — максимальное напряжение затвор-исток.

4.Р_Dmax — максимальна мощность, которая может выделяться на приборе.

5.t_on — типовое время нарастания тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

6.t_off — типовое время спада тока стока при идеально прямоугольной форме входного сигнала.

7.R_DS(on)max — максимальное значение сопротивления исток — сток в включенном(открытом) состоянии.

На главную страницу

Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».

Устройство и принцип работы транзистора биполярного

Транзистор (полупроводниковый триод) — это радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала (обычно с тремя выводами), способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет использовать его для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов.

Биполярные транзисторы являются более распространенным типом. К его базе подается небольшой ток, а он в свою очередь, управляет количеством тока, протекающего между коллектором и эмиттером. В данном обзоре будет подробно рассмотрены принцип работы и устройство такого транзистора. Детально разобравшись, как работает полупроводниковый триод, вы без труда разберетесь в терминологии и поймете всю суть процессов.

Устройство биполярного транзистора

Транзисторы — это довольно сложные устройства. Для лучшего понимания рассмотрим только наиболее простой тип радиоэлектронного компонента, с которыми радиолюбителям приходится сталкиваться чаще всего.

В устройство биполярного транзистора входит монокристалл, разделенный на три зоны, имеющие свой вывод:

	Б – база, очень тонкий внутренний слой.
	Э – эмиттер, предназначается для переноса заряженных частиц в базу.
	К – коллектор, составляющая, которая имеет тип проводимости, одинаковый с эмиттером, предназначена для сбора зарядов, поступивших с эмиттера.

Расшифруем все эти определения и более детально погрузимся в мир транзисторов, изготовленных из полупроводника кремния (Si):

Каждый атом кремния образует связи с четырьмя соседними атомами кремния. Кремний имеет 4 электрона в своей валентной оболочке. И каждый электрон становится общим с соседним атомом кремния. Рассмотренная связь называется ковалентной.

Чистый кремний характеризуется низкой электропроводностью. И чтобы кремний смог проводить электричество, электроны должны поглотить некоторое количество энергии и стать свободными электронами.

Легирование кремниевой пластины

Метод легирования применяется для улучшения электропроводности полупроводников. Например вводится пяти валентный фосфор (P) или сурьма (Sb) — один электрон окажется свободным и сможет перемещаться в системе. Данный метод называется легирование донорной примесью или примесью n типа. Если ввести трех валентный бор (B), образуется свободное место (дырка), которое может занять электрон. Соседний электрон может занять дырку в любой момент. Такое движение электронов может быть представлено в виде движения дыр в противоположном направлении. Это называется легированием акцепторной примесью или примесью p типа.

Выполнив легирование кремниевой пластины данными способами получается транзистор, у которого имеются следующие типы проводимости:

• n тип — носителями зарядов являются электроны.
• p тип — носителями зарядов являются положительно заряженные дыры.

Транзисторы по типу проводимости раздаются на два типа: n-p-n и p-n-p:

Разобравшись с легированием кремниевой пластины и определившись с типами проводимости, можно переходить к рассмотрению принципа работы транзистора.

Принцип работы транзистора

Чтобы понять, как работает транзистор, нужно разобраться в том, что происходит с электронами его базового элемента (диода). Диод образуется если легировать одну часть кремния примесью p типа, а другую примесью n типа. На границе этих частей будет происходить следующее:

Зная вышеописанный принцип работы, можно легко понять как работает транзистор. Ведь фактически транзистор — это два зеркально соединенных диода с очень тонким и слаболегированным p слоем. Поэтому, как бы не был подключен источник питания, один диод будет всегда обратно смещенным и будет препятствовать прохождению тока. Это означает, что транзистор находится в закрытом состоянии. Посмотрим как это выглядит на схеме:

Транзистор находится в закрытом состоянии

Подключим второй источник энергии (смотреть схему). Напряжение его должно быть достаточным, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Получаем обычный диод с прямым смещением, и большое количество электронов будет перемещаться из n области. Некоторые электроны займут свободные дырки и перемещаясь по соседним свободным дыркам будут двигаться к базе. Но электронов, перемещающихся в p область гораздо больше. И оставшиеся электроны будут притягиваться к положительному полюсу первого источника энергии и станут перемещаться далее.

Схема подключения второго источника энергии:

Принцип работы транзистора

Стоит обратить внимание на то, что p область транзистора очень узкая, и гарантирует отсутствие потока оставшихся электронов к положительному полюсу второго источника энергии. То есть слабый базовый ток усиливается к коллектору. Если увеличить базовый ток, то коллекторный ток увеличится пропорционально. Это простой пример усиления тока при помощи биполярного транзистора (β = Ic ⁄ Ib).

Материалы корпуса транзисторов

Транзисторы небольшой мощности изготавливают в прямоугольных корпусах из полимерных материалов или в металлических (цилиндрической формы). Можно найти десятки разных типов транзисторных корпусов совершенно отличных форм и размеров.

Сам полупроводник, основа транзистора, имеет размер песчинки или даже меньший. К нему практически невозможно подпаять провода, поэтому кристалл помещают в более просторный корпус из металла или пластика.

Рассмотрев принцип работы транзистора, можно отметить что несмотря на довольно простое устройство, данный полупроводниковый компонент играет важную роль в схемотехнике.

Биполярный транзистор: устройство и принцип работы

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор с тремя выводами, широко применяемый в радиоэлектронных схемах. Первый биполярный транзистор создан в 50-х годах XX века. Его изобретение стало венцом попыток найти более компактный и удобный аналог вакуумного триода. Благодаря появлению транзисторов схемотехника сделала большой шаг вперёд: громоздкую вакуумную лампу, к тому же требующую для работы высокого напряжения, удалось заменить на прибор размером с горошину. В дальнейшем, технологии позволили на одном малюсеньком кристалле полупроводника формировать сразу десятки и сотни транзисторов, что дало начало появлению электронных микросхем и развитию современной электроники. Впрочем, довольно вводных слов, перейдём к делу.

Устройство и принцип работы

Биполярный транзистор состоит из трёх чередующихся полупроводниковых зон с разной проводимостью. В зависимости того, как расположены эти зоны, существует два типа транзисторов: p-n-p (прямой проводимости) и n-p-n (обратной проводимости). К каждой из зон подключён свой вывод, выводы называются одинаково для обоих типов транзисторов: средний вывод — база, а по краям эмиттер и коллектор.

Устройство транзисторов p-n-p и n-p-n и обозначение на схемах

Как мы увидим в дальнейшем, в создании электрического тока внутри транзистора участвуют два вида зарядов: электроны и дырки. Отсюда и название «биполярный». Далее я буду писать просто «транзистор» для простоты изложения, но, нужно помнить, что существуют и униполярные (полевые) транзисторы, речь о которых пойдёт в отдельной статье.

Если вы знакомы с устройством полупроводникового диода, вы заметили, что транзистор, можно сказать, представляет собой два  диода, включенных навстречу друг другу, с одной общей зоной. Давайте для определённости возьмём p-n-p транзистор и подключим его следующим образом:

Подключение p-n-p транзистора

На переход база-эмиттер (эмиттерный переход) подано прямое напряжение, этот диод открыт и через него течёт ток. А вот на коллекторном переходе напряжение запирающее: на коллекторе «минус» относительно базы. Если бы это были два изолированных диода, то на этом бы дело и кончилось. Но! Поскольку зона n общая, тут вступает в силу закон диффузии. Часть дырок, поставляемых эмиттером, не рекомбинирует с электронами базы, а проникает в область коллекторного p-n перехода, и там захватывается мощным минусом «коллектора». В коллекторной цепи тоже появляется ток.

По описанию может показаться, что в коллектор попадает небольшая часть дырок. Но в реальности всё наоборот: только малая часть эмиттерного тока ответвляется в базу, рекомбинируя там с электронами. Большая же часть (грубо говоря,  больше 90%) дырок идут в коллектор и создают коллекторный ток. Это становится возможным потому, что рекомбинация — сравнительно долгий по времени процесс, и дырки успевают заполнить всю область базы и попасть под влияние потенциала коллектора.

При этом сильный коллекторный ток зависит от слабого базового. Ну а если на базу подать запирающее напряжение, «плюс» относительно эмиттера, то ток база-эмиттер вовсе прекратится, а следом исчезнет и коллекторный ток.

Кстати, теперь должны стать понятны названия выводов транзистора. Эмиттер — эмитирует, поставляет заряды (в нашем примере — дырки). Коллектор их собирает, стягивает своим мощным потенциалом. Ну а база так называется потому, что в первых точечных транзисторах она конструктивно была основой прибора. Сейчас точечные транзисторы уже не применяются, их вытеснили более технологичные плоскостные приборы, а название осталось.

Осталось отметить, что все приведённые выше рассуждения применимы и для n-p-n транзисторов, только нужно поменять знаки напряжений на обратные: транзистор n-p-n открывается «плюсом» на базе относительно эмиттера, ну а на коллекторе должен быть плюс относительно базы.

Усилительные свойства транзистора

Должность усилителя — одна из основных «работ» транзистора в электронных схемах.  И выше было показано, что слабый сигнал на базе позволяет управлять в разы более мощным коллекторным током, создавая на коллекторе более мощную копию базового сигнала. Но тут нужно чётко понимать, что сам по себе транзистор не усиливает сигнал и не может получить энергию из ниоткуда, по волшебству. Для создания мощной копии он берёт энергию источника питания. Можно ещё сказать, что от величины базового тока зависит сопротивление коллекторного p-n перехода. Ну а уж какой окажется ток, будет определяться напряжением источника питания и сопротивлением нагрузки (разумеется, все эти параметры должны находиться в допустимых пределах).

Конструктивные особенности транзистора

Из приведёных выше схематических рисунков не очень понятно, чем же эмиттер отличается от коллектора? В принципе, некоторые транзисторы будут работать, даже если при подключении перепутать эмиттер и коллектор местами. Но давайте взглянем на рисунок, более приближенный к реальной конструкции транзистора, а заодно разберёмся, почему он сделан так а не иначе.

Конструкция транзистора (схематично)

Вот несколько соображений на эту тему:

• Площадь коллекторного p-n перехода должна быть побольше, для более эффективного захвата зарядов.
• Коллекторная зона легируется слабо, то есть там сравнительно мало свободных зарядов на единицу объёма — это позволяет прикладывать к коллекторному переходу гораздо большее напряжение, чем к эмиттерному, без риска пробоя коллекторного перехода.
• Эмиттерная зона, наоборот, легируется сильнее, для более эффективной инжекции зарядов. Но это и делает эмиттерный переход более «нежным». Особенно он боится обратного (запирающего) напряжения: для p-n-p это плюс на базе относительно эмиттера. В некоторых схемах даже ставится специальная защита — обычно с помощью диода.
• В коллекторе меньше свободных зарядов, сопротивление его выше, к тому же коллекторный переход работает в режиме обратного смещения. Всё это приводит к тому, что на нём выделяется основное тепло. Это тоже аргумент в пользу того, чтобы коллекторная зона была побольше, для эффективного рассеивания тепловой энергии.
• К слову, база тоже легируется слабо. База должна быть тонкой по двум причинам. Во-первых, для более эффективной диффузии зарядов, инжектируемых эмиттером. Во-вторых, для большего быстродействия транзистора: чтобы коллекторный ток как можно быстрее реагировал на изменение базового. Но при этом сопротивление базы должно быть высокое, чтобы не было пробоев напрямую между коллектором и эмиттером.

Все эти меры позволяют «выжать» из транзистора максимальный коэффициент усиления. Это величина, которая показывает соотношение между коллекторным и базовым током. У различных транзисторов коэффициент может варьироваться от десятков до сотен и даже тысяч.

Основные параметры транзистора

Один из важнейших параметров транзистора, коэффициент усиления, уже упоминался. Он определяет усилительные способности транзистора, во сколько раз коллекторный ток может быть больше базового. Впрочем, можно также вводить понятия коэффициента усиления по напряжению и по мощности, поэтому при чтении справочников нужно быть внимательным: какой именно коэффициент там приводится.

Многое зависит от области применения транзистора. В маломощных чувствительных усилителях важен коэффициент усиления. В высокочастотных каскадах — предельная частота, на которой ещё сохраняются усительные способности транзистора. Существование предельной частоты обусловлено скоростью работы транзистора, а также ёмкостью коллекторного перехода, которая на высоких частотах начинает играть заметную роль (мы помним, что активное сопротивление конденсатора уменьшается с ростом частоты). Ну а в выходных каскадах мощных усилителей уже не так важны усиление и частота, и на первый план выходят допустимые токи и напряжения.

Поэтому промышленность выпускает множество различных моделей биполярных транзисторов с характеристиками на любой вкус. А оригинальные решения, комбинирующие в одной схеме транзисторы с разными характеристиками, разной проводимостью, позволяют буквально творить чудеса и решать весьма нетривиальные задачи.

При чтении справочников следует обращать внимание на предельные значения, коих у транзистора целый веер. Например, предельно допустимое напряжение коллектора, предельный ток коллектора и предельная мощность. Предельное напряжение базового перехода, предельное обратное напряжение. И так далее. Причём, нужно избегать соблазна рассчитать предельно допустимую мощность как произведение предельного тока и предельного напряжения. По отдельности транзистор способен выдержать предельный ток и предельное напряжение, но если попытаться загнать его в такой режим, когда достигнуты оба этих показателя одновременно — транзистор выйдет из строя. Поэтому, всегда указывают предельную мощность отдельно. Часто можно расширить границы допустимой мощности, установив на транзистор теплоотводящий радиатор.

Отдельно стоит сказать про такой параметр, как неуправляемый обратный ток коллектора. Он создаётся собственными свободными зарядами, которые в небольшом количестве есть в любом полупроводнике. Этот ток не управляется «командами» с базы, кроме того, он сильно зависит от температуры, и способен внести существенные помехи в полезный сигнал.

Поделиться в соцсетях:

Транзисторы устройство и принцип работы.

Просмотр содержимого документа
«Транзисторы устройство и принцип работы.»

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ ТЕСТ-РАБОТА полупроводниковые диоды

Необходимо ответить на 5 вопросов.

Каждый вопрос оценивается в 1 балл.

Исправленный ответ не оценивается.

Оценку ставите сами!

1 Указать прямое включение диода:

2 Исправный диод:

а) Rпр=0; Rобр=∞ б) Rпр= ∞; Rобр=0

в) Rпр=0; Rобр=0 г) Rпр= ∞; Rобр=∞

3 Перечислите неисправности диода:

а) Тепловой пробой б) тепловой и электрический пробой

в) электрический пробой г) электрический и диэлектрический пробой

4 Стабилитрон обозначается:

5 Диод выпрямительный маркируют:

а) КЛ214А б) ГТ122В в) КД213Б г) 2С118А

ПРОВЕРЬТЕ ОТВЕТЫ

1- VD2

2- а

3- б

4- VD2

5- в

Полупроводниковые приборы   Тема занятия: Транзисторы

• Определение, назначение и устройство транзистора.
• Принцип работы.
• Волт-амперная характеристика транзистора.
• Схемы включения.
• Маркировка транзисторов.

Определение, назначение и устройство транзистора.

Транзистором называют полу-проводниковый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих p-n перехода и который имеет три вывода или более.

Транзистор способен выполнять усилительные, генераторные и ключевые функции.

устройство транзистора

Биполярные транзисторы

Принцип работы.

Волт-амперная характеристика транзистора

Схемы включения.

Маркировка транзисторов.

Принцип работы диода и транзистора

Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.

Принцип работы:

1. Электрический ток воздействует на катод, подогреватель начинает накаливаться, а электрод испускать электроны.
2. Между двумя электродами происходит образование электрического поля.
3. Если анод обладает положительным потенциалом, то он начинает притягивать электроны к себе, а возникшее поле является катализатором данного процесса. При этом, происходит образование эмиссионного тока.
4. Между электродами происходит образование пространственного отрицательного заряда, способного помешать движению электронов. Это происходит, если потенциал анода оказывается слишком слабым. В таком случае, частям электронов не удается преодолеть воздействие отрицательного заряда, и они начинают двигаться в обратном направлении, снова возвращаясь к катоду.
5. Все электроны, которые достигли анода и не вернулись к катоду, определяют параметры катодного тока. Поэтому данный показатель напрямую зависит от положительного анодного потенциала.
6. Поток всех электронов, которые смогли попасть на анод, имеет название анодный ток, показатели которого в диоде всегда соответствуют параметрам катодного тока. Иногда оба показателя могут быть нулевыми, это происходит в ситуациях, когда анод обладает отрицательным зарядом. В таком случае, возникшее между электродами поле не ускоряет частицы, а, наоборот, тормозит их и возвращает на катод. Диод в таком случае остается в запертом состоянии, что приводит к размыканию цепи.

Устройство

Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:

1. Корпус представляет собой вакуумный баллон, который может быть изготовлен из стекла, металла или прочных керамических разновидностей материала.
2. Внутри баллона имеется 2 электрода. Первый является накаленным катодом, который предназначен для обеспечения процесса эмиссии электронов. Самый простейший по конструкции катод представляет собой нить с небольшим диаметром, которая накаливается в процессе функционирования, но на сегодняшний день более распространены электроды косвенного накала. Они представляют собой цилиндры, изготовленные из металла, и обладающие особым активным слоем, способным испускать электроны.
3. Внутри катодакосвенного накала имеется специфический элемент – проволока, которая накаливается под воздействием электрического тока, она называется подогреватель.
4. Второй электрод является анодом, он необходим для приема электронов, которые были выпущены катодом. Для этого он должен обладать положительным относительно второго электрода потенциалом. В большинстве случаев анод также имеет цилиндрическую форму.
5. Оба электрода вакуумных приборов полностью идентичны эмиттеру и базе полупроводниковой разновидности элементов.
6. Для изготовления диодного кристалла чаще всего используется кремний или германий. Одна из его частей является электропроводимой по p-типу и имеет недостаток электронов, который образован искусственным методом. Противоположная сторона кристалла также имеет проводимость, но n-типа и обладает избытком электронов. Между двумя областями имеется граница, которая и называется p-n переходом.

Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

1. Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
2. Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
3. Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
4. Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
5. Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

1. Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
2. Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
3. Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
4. Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
5. Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
6. Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
7. Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Обратное включение диода

Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:

1. Главное отличие от прямого включения заключается в том, что создаваемое электрическое поле будет обладать направлением, полностью совпадающим с направлением внутреннего диффузионного поля. Соответственно, запирающий слой будет уже не сужаться, а, наоборот, расширяться.
2. Поле, находящееся в p-n-переходе, будет оказывать ускоряющий эффект на целый ряд неосновных носителей заряда, по этой причине, показатели дрейфового тока останутся без изменений. Он будет определять параметры результирующего тока, который проходит через p-n-переход.
3. По мере ростаобратного напряжения, электрический ток, протекающий через переход, будет стремиться достичь максимальных показателей. Он имеет специальное название – ток насыщения.
4. В соответствии с экспоненциальным законом, с постепенным увеличением температуры будут увеличиваться и показатели тока насыщения.

Прямое и обратное напряжение

Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:

1. Прямое напряжение – это то, при котором происходит открытие диода и начинается прохождение через него прямого тока, при этом показатели сопротивления прибора являются крайне низкими.
2. Обратное напряжение – это то, которое обладает обратной полярностью и обеспечивает закрытие диода с прохождением через него обратного тока. Показатели сопротивления прибора при этом начинают резко и значительно расти.

Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.

Работа диода и его вольт-амперная характеристика

Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.

Подобный график можно описать следующим образом:

1. Ось, расположенная по вертикали: верхняя область соответствует значениям прямого тока, нижняя область параметрам обратного тока.
2. Ось, расположенная по горизонтали: область, находящаяся справа, предназначена для значений прямого напряжения; область слева для параметров обратного напряжения.
3. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики отражает пропускной электрический ток через диод. Она направлена вверх и проходит в непосредственной близости от вертикальной оси, поскольку отображает увеличение прямого электрического тока, которое происходит при увеличении соответствующего напряжения.
4. Вторая (обратная) ветвь соответствует и отображает состояние закрытого электрического тока, который также проходит через прибор. Положение у нее такое, что она проходит фактически параллельно относительно горизонтальной оси. Чем круче эта ветвь подходит к вертикали, тем выше выпрямительные возможности конкретного диода.
5. По графику можно наблюдать, что после роста прямого напряжения, протекающего через p-n-переход, происходит медленное увеличение показателей электрического тока. Однако постепенно, кривая достигает области, в которой заметен скачок, после которого происходит ускоренное нарастание его показателей. Это объясняется открытием диода и проведением тока при прямом напряжении. Для приборов, изготовленных из германия, это происходит при напряжении равном от 0,1В до 0,2В (максимальное значение 1В), а для кремниевых элементов требуется более высокий показатель от 0,5В до 0,6В (максимальное значение 1,5В).
6. Показанное увеличение показателей тока может привести к перегреву полупроводниковых молекул. Если отведение тепла, происходящее благодаря естественным процессам и работе радиаторов, будет меньше уровня его выделения, то структура молекул может быть разрушена, и этот процесс будет иметь уже необратимый характер. По этой причине, необходимо ограничивать параметры прямого тока, чтобы не допустить перегрева полупроводникового материала. Для этого, в схему добавляются специальные резисторы, имеющие последовательное подключение с диодами.
7. Исследуя обратную ветвь можно заметить, что если начинает увеличиваться обратное напряжение, которое приложено к p-n-переходу, то фактически незаметен рост параметров тока. Однако в случаях, когда напряжение достигает параметров, превосходящих допустимые нормы, может произойти внезапный скачок показателей обратного тока, что перегреет полупроводник и будет способствовать последующему пробою p-n-перехода.

Основные неисправности диодов

Иногда приборы подобного типа выходят из строя, это может происходить из-за естественной амортизации и старения данных элементов или по иным причинам.

Всего выделяют 3 основных типа распространенных неисправностей:

1. Пробой перехода приводит к тому, что диод вместо полупроводникового прибора становится по своей сути самым обычным проводником. В таком состоянии он лишается своих основных свойств и начинает пропускать электрический ток в абсолютно любом направлении. Подобная поломка легко выявляется при помощи стандартного мультиметра, который начинает подавать звуковой сигнал и показывать низкий уровень сопротивления в диоде.
2. При обрыве происходит обратный процесс – прибор вообще перестает пропускать электрический ток в каком-либо направлении, то есть он становится по своей сути изолятором. Для точности определения обрыва, необходимо использовать тестеры с качественными и исправными щупами, в противном случае, они могут иногда ложно диагностировать данную неисправность. У сплавных полупроводниковых разновидностей такая поломка встречается крайне редко.
3. Утечка, во время которой нарушается герметичность корпуса прибора, вследствие чего он не может исправно функционировать.

Пробой p-n-перехода

Подобные пробои происходят в ситуациях, когда показатели обратного электрического тока начинают внезапно и резко расти, происходит это из-за того, что напряжение соответствующего типа достигает недопустимых высоких значений.

Обычно различается несколько видов:

1. Тепловые пробои, которые вызваны резким повышением температуры и последующим перегревом.
2. Электрические пробои, возникающие под воздействием тока на переход.

График вольт-амперной характеристики позволяет наглядно изучать эти процессы и разницу между ними.

Электрический пробой

Последствия, вызываемые электрическими пробоями, не носят необратимого характера, поскольку при них не происходит разрушение самого кристалла. Поэтому при постепенном понижении напряжения можно восстановить всей свойства и рабочие параметры диода.

При этом, пробои такого типа делятся на две разновидности:

1. Туннельные пробои происходят при прохождении высокого напряжения через узкие переходы, что дает возможность отдельно взятым электронам проскочить через него. Обычно они возникают, если в полупроводниковых молекулах имеется большое количество разных примесей. Во время такого пробоя, обратный ток начинает резко и стремительно расти, а соответствующее напряжение находится на низком уровне.
2. Лавинные разновидности пробоев возможны благодаря воздействию сильных полей, способных разогнать носителей заряда до предельного уровня из-за чего они вышибают из атомов ряд валентных электронов, которые после этого вылетают в проводимую область. Это явление носит лавинообразный характер, благодаря чему данный вид пробоев и получил такое название.

Тепловой пробой

Возникновение такого пробоя может произойти по двум основным причинам: недостаточный теплоотвод и перегрев p-n-перехода, который происходит из-за протекания через него электрического тока со слишком высокими показателями.

Повышение температурного режима в переходе и соседних областях вызывает следующие последствия:

1. Рост колебания атомов, входящих в состав кристалла.
2. Попадание электронов в проводимую зону.
3. Резкое повышение температуры.
4. Разрушение и деформация структуры кристалла.
5. Полный выход из строя и поломка всего радиокомпонента.

Полупроводниковый диод. Если соединить два электрически нейтральных полупроводника п- и р-типа, то получится полупроводниковый диод. Электроны вблизи контакта из «-области, где их концентрация выше, будут диффундировать в /7-область. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. На границе полупроводниковых областей образуется р-п- переход — слой с пониженной электропроводностью: вблизи контакта в «-области накапливается положительный заряд, а в /7-области — отрицательный. Поле Е_к запирающего равновесного контактного слоя будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и дырок, обусловливая диффузионную разность потенциалов.

Если диод подключить положительным полюсом батареи к области р-типа, а отрицательным — к области «-типа (рис. 30.12, а), то направление внешнего поля Е будет противоположно полю контактного слоя Е_к. В результате через диод с прямым смещением течет ток (так называемый прямой ток), обусловленный движением основных носителей каждой области. Перемещение электронов и дырок приводит к сужению контактного слоя, потенциальный барьер в переходе понижается с ростом напряжения, приложенного в прямом направлении (U >0). Сопротивление контактного слоя в результате уменьшится.

В диоде с обратным смещением дырки в /7-области притягиваются отрицательным полюсом батареи, а электроны в «-области — положительным

Рис. 30.12. Схема п—/7-перехода, в котором п- и /7-области монокристалла отличаются только типом примеси (гомопереход): а, б — соответственно диод с прямым и обратным смещением полюсом батареи (рис. 30.12, б). Электрический ток через п—/7-переход, называемый обратным, будет обусловлен движением неосновных носителей каждой области. Контактный слой расширится, его сопротивление возрастет. Потенциальный барьер в переходе увеличивается с ростом обратного напряжения (U Транзисторы. Рассмотрим приборы, предназначенные для усиления электрических сигналов, называемые транзисторами (рис. 30.13). Транзисторы были изобретены в 1948 г. американскими физиками Дж. Барди- ном, У. Браттейном и У. Шокли (Нобелевская премия, 1956).

Рис. 30.13. Условные обозначения транзисторов: а — п-р—п-транзистор; б — р—п—р-транзистор

Биполярный транзистор (триод) — это трехслойная полупроводниковая структура с чередующимися слоями р- и я-типа проводимости (рис. 30.13, а, б). База (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости) включаются в схему с помощью металлических проводников. При типичных условиях ширина базы не превышает 0,1—0,2 мкм. Крайние области транзистора, хотя и обладают одинаковым типом проводимости, отличаются концентрацией примесных атомов. Коллектор обычно содержит большую концентрацию примесных атомов в сравнении с эмиттером. Эмиттер всегда обозначается стрелкой. Направление стрелки совпадает с направлением тока, условно принимаемым за положительное в нормальном режиме работы транзистора.

Для примера рассмотрим триод типа р—п—р (рис. 30.14).

Рис. 30.14. Схема р—п-/7-транзистора, используемого в качестве усилителя

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое постоянное напряжение («+» на /7-эмиттере), а к коллекторному — обратное напряжение («—» на /ькол- лекторе). Переменный сигнал подается на входное сопротивление R_BX. С сопротивления /?_ВЬ1Х в выходной цепи снимается усиленный сигнал. В нормальном режиме напряжение и на коллекторе, и на базе отрицательно.

Высота потенциального барьера в р—п-переходе в случае прямого напряжения снижается. Дырки, продиффундировавшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными носителями. При тонкой базе большинство дырок достигает коллектора: дырки вблизи п—р-перехода, отделяющего базу от коллектора, захватываются полем, существующим внутри перехода. Проходя через коллекторную цепь, они создают напряжение на сопротивлении /?_вых.

Коэффициент усиления по току составляет несколько десятков, в некоторых случаях — несколько сотен. При использовании гетероструктур, когда р- и д-области принадлежат разным полупроводникам, коэффициент усиления достигает несколько тысяч. Обычно R_Bblx » R_BX, поэтому t/_BX«U_Bblx. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея Б_к. Мощность выходного сигнала возрастает в Кых/К раз.

Аналогичным образом работает и п—/?—/7-транзистор, где вместо дырок происходит перемещение электронов. Если напряжение, приложенное к базе, положительно, то электроны эмиттера притягиваются к базе, а затем проходят на коллектор, находящийся под положительным напряжением.

Создание полупроводниковых гетероструктур, используемых в высокочастотной электронике и оптоэлектронике, заложило основы современных информационных технологий. За фундаментальные работы в этой области в 2000 г. были награждены Нобелевской премией по физике россиянин Ж.И. Алферов и американец Г. Кремер.

Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого.

Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны катода как бы рисуют букву К вот, смотри —К|—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара.

Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Это может быть, например, опорная величина, относительно которой происходит сравнение входного сигнала. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту. Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только куда более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

Так работает диод.

Жуткая вещь, в детстве все не мог понять как он работает, а оказалось все просто.

В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.

Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.

В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «Писец Нам Писец

Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом, например с ноги микроконтроллера, управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней. А порой хватает и одного могучего полевого MOSFET транзистора. Посмотри, например, как в схемах сотовых телефонов управляется виброзвонок. Там выход с процессора идет на затвор силового MOSFET ключа.

Полевой транзистор

Часть 2. Полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от проводящего канала полупроводника слоем диэлектрика. Благодаря этому, у транзистора очень высокое входное сопротивление (у некоторых моделей оно достигает 10¹⁷ Ом).

Принцип работы этого типа полевого транзистора, как и полевого транзистора с управляющим PN-переходом, основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид-Полупроводник), или МДП-транзистор (Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor).

МДП-транзисторы делятся на два типа – со встроенным каналом и с индуцированным каналом. В каждом из типов есть транзисторы с N–каналом и P-каналом.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом.

На основании (подложке) полупроводника с электропроводностью P-типа (для транзистора с N-каналом) созданы две зоны с повышенной электропроводностью N⁺-типа. Все это покрывается тонким слоем диэлектрика, обычно диоксида кремния SiO₂. Сквозь диэлектрический слой проходят металлические выводы от областей N⁺-типа, называемые стоком и истоком. Над диэлектриком находится металлический слой затвора. Иногда от подложки также идет вывод, который закорачивают с истоком

Работа МДП-транзистора (MOSFET) с индуцированным каналом N-типа.

Подключим напряжение любой полярности между стоком и истоком. В этом случае электрический ток не пойдет, поскольку между зонами N⁺ находиться область P, не пропускающая электроны. Далее, если подать на затвор положительное напряжение относительно истока U_зи, возникнет электрическое поле. Оно будет выталкивать положительные ионы (дырки) из зоны P в сторону подложки. В результате под затвором концентрация дырок начнет уменьшаться, и их место займут электроны, притягиваемые положительным напряжением на затворе.

Когда U_зи достигнет своего порогового значения, концентрация электронов в области затвора превысит концентрацию дырок. Между стоком и истоком сформируется тонкий канал с электропроводностью N-типа, по которому пойдет ток I_си. Чем выше напряжение на затворе транзистора U_зи, тем шире канал и, следовательно, больше сила тока. Такой режим работы полевого транзистора называется режимом обогащения.

Принцип работы МДП-транзистора с каналом P–типа такой же, только на затвор нужно подавать отрицательное напряжение относительно истока.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора с индуцированным каналом.

ВАХ полевого транзистора с изолированным затвором похожи на ВАХ полевого транзистора с управляющим PN-переходом. Как видно на графике а), вначале ток I_си растет прямопропорционально росту напряжения U_си. Этот участок называют омическая область (действует закон Ома), или область насыщения (канал транзистора насыщается носителями заряда ). Потом, когда канал расширяется почти до максимума, ток I_си практически не растет. Этот участок называют активная область.

Когда U_си превышает определенное пороговое значение (напряжение пробоя PN-перехода), структура полупроводника разрушается, и транзистор превращается в обычный проводник. Данный процесс не восстановим, и прибор приходит в негодность.

Устройство МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом.

Физическое устройство МДП-транзистора со встроенным каналом отличается от типа с индуцированным каналом наличием между стоком и истоком проводящего канала.

Работа МДП-транзистора (MOSFET) со встроенным каналом N-типа.

Подключим к транзистору напряжение между стоком и истоком Uси любой полярности. Оставим затвор отключенным (U_зи = 0). В результате через канал пойдет ток I_си, представляющий собой поток электронов.

Далее, подключим к затвору отрицательное напряжение относительно истока. В канале возникнет поперечное электрическое поле, которое начнет выталкивать электроны из зоны канала в сторону подложки. Количество электронов в канале уменьшиться, его сопротивление увеличится, и ток I_си уменьшиться. При повышении отрицательного напряжения на затворе, уменьшается сила тока. Такое состояние работы транзистора называется режимом обеднения.

Если подключить к затвору положительное напряжение, возникшее электрическое поле будет притягивать электроны из областей стока, истока и подложки. Канал расшириться, его проводимость повыситься, и ток I_си увеличиться. Транзистор войдет в режим обогащения.

Как мы видим, МДП-транзистор со встроенным каналом способен работать в двух режимах — в режиме обеднения и в режиме обогащения.

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) МДП-транзистора со встроенным каналом.

Преимущества и недостатки полевых транзисторов перед биполярными.

Полевые транзисторы практически вытеснили биполярные в ряде применений. Самое широкое распространение они получили в интегральных схемах в качестве ключей (электронных переключателей)

Главные преимущества полевых транзисторов

• Благодаря очень высокому входному сопротивлению, цепь полевых транзисторов расходует крайне мало энергии, так как практически не потребляет входного тока.
• Усиление по току у полевых транзисторов намного выше, чем у биполярных.
• Значительно выше помехоустойчивость и надежность работы, поскольку из-за отсутствия тока через затвор транзистора, управляющая цепь со стороны затвора изолирована от выходной цепи со стороны стока и истока.
• У полевых транзисторов на порядок выше скорость перехода между состояниями проводимости и непроводимости тока. Поэтому они могут работать на более высоких частотах, чем биполярные.

Главные недостатки полевых транзисторов

• У полевых транзисторов большее падение напряжения из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, когда прибор находится в открытом состоянии.
• Структура полевых транзисторов начинает разрушаться при меньшей температуре (150С), чем структура биполярных транзисторов (200С).
• Несмотря на то, что полевые транзисторы потребляют намного меньше энергии, по сравнению с биполярными транзисторами, при работе на высоких частотах ситуация кардинально меняется. На частотах выше, примерно, чем 1.5 GHz, потребление энергии у МОП-транзисторов начинает возрастать по экспоненте. Поэтому скорость процессоров перестала так стремительно расти, и их производители перешли на стратегию «многоядерности».

• При изготовлении мощных МОП-транзисторов, в их структуре возникает «паразитный» биполярный транзистор. Для того, чтобы нейтрализовать его влияние, подложку закорачивают с истоком. Это эквивалентно закорачиванию базы и эмиттера паразитного транзистора. В результате напряжение между базой и эмиттером биполярного транзистора никогда на достигнет необходимого, чтобы он открылся (около 0.6В необходимо, чтобы PN-переход внутри прибора начал проводить).

  Однако, при быстром скачке напряжения между стоком и истоком полевого транзистора, паразитный транзистор может случайно открыться, в результате чего, вся схема может выйти из строя.

• Важнейшим недостатком полевых транзисторов является их чувствительность к статическому электричеству. Поскольку изоляционный слой диэлектрика на затворе чрезвычайно тонкий, иногда даже относительно невысокого напряжения бывает достаточно, чтоб его разрушить. А разряды статического электричества, присутствующего практически в каждой среде, могут достигать несколько тысяч вольт.

  Поэтому внешние корпуса полевых транзисторов стараются создавать таким образом, чтоб минимизировать возможность возникновения нежелательного напряжения между электродами прибора. Одним из таких методов является закорачивание истока с подложкой и их заземление. Также в некоторых моделях используют специально встроенный диод между стоком и истоком. При работе с интегральными схемами (чипами), состоящими преимущественно из полевых транзисторов, желательно использовать заземленные антистатические браслеты. При транспортировке интегральных схем используют вакуумные антистатические упаковки

Транзистор

| Определение и использование

Транзистор , полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов. Транзисторы — это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко укоренившиеся почти во всем электронном, стали нервными клетками информационного века.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком). Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, а скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, определяется входным сигналом на затворе — так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

NMOS-транзистор Металлооксидные полупроводники с отрицательным каналом (NMOS) используют положительное вторичное напряжение для переключения мелкого слоя полупроводникового материала типа p под затвором в тип n . Для металлооксидных полупроводников с положительным каналом (PMOS) все эти полярности меняются на противоположные. Транзисторы NMOS дороже, но быстрее, чем транзисторы PMOS.

Encyclopædia Britannica, Inc.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах.Благодаря их небольшому размеру и низкому энергопотреблению транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специализированные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности. Низкочастотные и высокомощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными.Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

Безусловно, наиболее распространенное применение транзисторов сегодня — это микросхемы памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также микропроцессоры, в которых миллионы компонентов встроены в единую интегральную схему. Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку.В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах. Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях. Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем.В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы. Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении.Для приложений, требующих тысячи ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий. Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров.Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель — устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца. Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия.В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток. В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях.Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

Транзисторное устройство — обзор

5 Уязвимости, вызывающие серьезные ошибки

В этом разделе описываются лежащие в основе физические механизмы, которые могут вызвать проблемы с надежностью в усовершенствованных интегральных схемах (ИС).Рассматриваемые механизмы — это механизмы, которые влияют на сам чип, включая как уровень транзистора («передний конец линии», или FEOL), так и уровни разводки («задний конец линии» или BEOL), но не охватывающие надежность, связанную с упаковкой. даже при том, что это значительная область потенциальных отказов поля. Ниже приводится неисчерпывающий список распространенных постоянных отказов в современных ИС:

(a)

Электромиграция (EM) — процесс, при котором устойчивый однонаправленный ток, испытываемый межсоединениями (проводами), приводит к постепенному увеличению количества проводов. сопротивление в конечном итоге приводит к постоянным открытым неисправностям.

(b)

Зависящий от времени пробой диэлектрика (TDDB) — процесс, посредством которого устойчивые смещения затвора, прикладываемые к транзисторным устройствам или для соединения диэлектриков, вызывают прогрессирующую деградацию в сторону оксидного пробоя, что в конечном итоге приводит к постоянному короткому замыканию или застреванию неисправности.

(c)

Нестабильность температуры отрицательного смещения (NBTI) —Процесс, при котором устойчивые смещения затвора, прикладываемые к транзисторным устройствам, вызывают постепенное смещение порогового напряжения вверх и ухудшение подвижности несущей, что приводит к ее снижению. скорость и ток, приводящие в конечном итоге к необратимому отказу цепи.

(d)

Инжекция горячих носителей (HCI) — процесс, с помощью которого транзисторное устройство (с постоянным использованием переключения) вызывает постепенный сдвиг вверх своего порогового напряжения и ухудшение подвижности носителей, что приводит к снижение скорости и токоведущей способности, что в конечном итоге приводит к необратимому отказу цепи.

Механизмы надежности можно условно разделить на две категории. Механизмы «случайного» или «жесткого» отказа по своей природе являются статистическими.Этот тип отказа связан с определенным временем отказа, однако время отказа является случайной величиной, разной для каждого аналогичного элемента схемы, даже если он подвержен одному и тому же напряжению и температуре. Первые два механизма в списке выше (т.е. EM и TDDB) попадают в эту категорию. EM обычно следует логарифмически нормальному распределению вероятностей времени отказа, с σ ≈ 0,2. TDDB обычно следует распределению Вейбулла с параметром формы ≥ 1 в случае современных затворных диэлектриков.

Другая категория отказа — «износ». Этот тип механизма приводит к постепенному сдвигу электрических характеристик, который одинаков для всех аналогичных элементов схемы при одинаковых значениях напряжения и температуры. Это может в конечном итоге привести к отказу цепи, если и когда характеристики выйдут за пределы допустимого рабочего диапазона. Этот тип постепенного, непрерывного параметрического сдвига может привести, например, к изменениям скорости переключения, что, в свою очередь, может привести к критическим ошибкам синхронизации пути или к снижению запаса шума, что может привести к ошибкам регистрации, особенно в схемах, работающих вблизи предельных значений напряжения.Два последних вышеуказанных механизма (т.е. NBTI и HCI) относятся к этому типу. Читатель должен отметить, что термин «износ» очень часто используется в другом смысле, чтобы обозначить увеличивающуюся частоту отказов в конце срока службы (EOL) на традиционной кривой надежности в форме ванны. Этот статистический смысл не учитывает лежащий в основе физический механизм.

Как в механизме износа, так и в механизме случайных отказов, лежащая в основе физика предполагает постепенное накопление повреждений устройства или элемента схемы.Принципиальное отличие состоит в том, что при случайном или тяжелом отказе это повреждение не сразу становится очевидным, пока не будет достигнут определенный порог. Например, при электромиграции (ЭМ) металлические вакансии появляются и растут, пока, наконец, не образуется разомкнутая цепь, что приводит к внезапному увеличению сопротивления металла. Обычно перед полным разрывом цепи происходит постепенное увеличение сопротивления, но оно обычно достаточно мало, чтобы им можно было пренебречь на практике. На рис. 3 показан типичный график зависимости сопротивления от времени для электромиграции.Подобные характеристики также наблюдаются в TDDB, где явление, известное как «прогрессивная» поломка, широко изучалось [17].

Рис. 3. Удельное сопротивление межсоединений увеличивается с течением времени при постоянном электромагнитном напряжении.

В механизмах изнашивания повреждение проявляется в виде непрерывного сдвига электрических характеристик без какого-либо внезапного (отсроченного) начала. На рис. 4 показан типичный сдвиг порогового напряжения в зависимости от времени для NBTI. В очень маленьких транзисторах механизмы износа, такие как сдвиги порогового напряжения, подвержены статистическим изменениям из-за дискретного характера заряда.Таким образом, даже эти «равномерные» механизмы износа следует рассматривать статистически. Это все еще является предметом текущих исследований, и обработка статистического распределения NBTI и HCI еще не получила широкого распространения на практике [18]. Износ, вызванный NBTI, может быть уменьшен или ослаблен, когда смещение затвора устранено, как показано на рис. 4.

Рис. 4. Типичные характеристики напряжения / восстановления порогового напряжения, вызванного NBTI.

На рис. 5 показаны типичные аналитические модели для каждого механизма.На этом рисунке показана зависимость каждого механизма от физических и рабочих параметров (факторов ускорения). Энергии термической активации указаны в третьем столбце. EM и TDDB — это режимы отказа, которые наиболее сильно ускоряются температурой. Это делает их вероятными кандидатами на роль ограничителей надежности, связанных с горячими точками. Однако, поскольку это оба случайных статистических процесса (описываемых распределениями времени отказа, приведенными на рисунке), отказ какой-либо конкретной микросхемы не может быть гарантирован, можно определить только вероятность отказа.Во всех случаях абсолютное время отказа или сдвиги параметров сильно зависят от конструктивных и материальных параметров, например, толщины изолятора, размера устройства и т. Д.

Рис. 5. Аналитические модели рассматриваемых физических механизмов, связанных с уязвимостями надежности.

ЭМ-тестирование обычно влечет за собой измерения на различных металлических линиях и через тестовые структуры, которые позволяют оценить электромиграцию от электронного потока либо вверх из прохода под линией металла (через истощение), либо вниз через переходное отверстие над линией металла (линия истощение) при однонаправленном токе.Напряжения обычно выполняются при повышенной температуре (например, 250–300 ° C) с использованием напряжения постоянного тока Дж _a порядка 10 мА / мкм ² . Уязвимые цепи для электромагнитного сбоя — это цепи с сильно нагруженными устройствами или высокими рабочими факторами, то есть которые имеют тенденцию управлять токами постоянного тока. Критерием EOL обычно является увеличение сопротивления ( dR / R ) ≥ 20 % или избыточный ток утечки (например, из-за экструзии металла)> 1 мкА в напряженном состоянии.Это технический эталон надежности, но он не обязательно может приводить к отказу цепи в каждом случае.

Тестирование TDDB для диэлектриков затвора выполняется путем нагружения отдельных транзисторов в условиях инверсии (т. Е. Положительное значение затвора для n-полевых транзисторов и отрицательное значение для p-полевых транзисторов). Напряжения обычно выполняются при повышенной температуре (например, 100–180 ° C) с использованием постоянного напряжения В _и порядка 2–5 В для получения разумного времени отказа.Критерием EOL обычно является любое небольшое увеличение тока утечки («первый пробой») или избыточный ток утечки, скажем,> 10 мкА в условиях использования. Было показано, что этот уровень утечки влияет на функциональность определенных схем, таких как SRAM, но не может вызывать отказ всех типов схем.

Задний конец (интерметаллический диэлектрик) TDDB представляет собой область растущего интереса и беспокойства, так как толщина изолятора, особенно между проводником затвора и металлическими контактами истока или стока, теперь сопоставима с толщиной, используемой под затвором, всего несколько десятилетия назад.Аналогичная феноменология и модели описывают внутреннюю TDDB, но напряжения или поля пробоя в этих изоляторах часто ограничиваются внешними проблемами или проблемами, связанными с интеграцией (профили травления, загрязнение металла и т. Д.). Для внутренней TDDB тестовые структуры обычно содержат гребенчатые структуры.

Уравнения EM и TDDB на рис. 5 дают допустимую плотность тока Дж _{использовать} (для EM) или напряжение В _{использовать} (для TDDB), соответствующее указанному среднему времени отказа t _{используйте} для одиночной металлической линии, переходного отверстия, затвора транзистора или другого диэлектрика.Среднее время разрушения в условиях ускоренного напряжения составляет t _a , что соответствует плотности тока напряжения J _a (для EM) или напряжению V _a (для TDDB). Распределение времени отказов EM следует за лог-нормальной статистикой, в то время как время отказов TDDB обычно следует за статистикой Вейбулла, по крайней мере, в хвосте с низкой интенсивностью отказов, который представляет интерес.

Поскольку полупроводниковая технология, как правило, позволяет поддерживать надежность микросхемы частей на миллион с минимум 1E5 линий на микросхему и ≈1E9 транзисторов на микросхему, время отказа одного провода или устройства превышает срок службы продукта на много порядков.Следовательно, могут потребоваться значительные скачки тока, напряжения или температуры, чтобы вызвать отказ любого данного устройства или целевой цепи.

С другой стороны, поскольку NBTI и HCI представляют собой однородные режимы износа с одинаковым сдвигом порогового напряжения или ухудшением тока в зависимости от времени для всех транзисторов, которые работают при одном и том же напряжении и температуре, возможный отказ этих механизмов, вызванный скачками напряжения или температуры должен быть более предсказуемым. Поскольку деградация NBTI и HCI приводит к ослаблению транзисторов, схемы могут быть уязвимы к ошибкам синхронизации или к снижению помехоустойчивости.Уравнения BTI и HCI на рисунке 5 дают сдвиг порогового напряжения (для NBTI) или ухудшение тока стока (для HCI) как функцию времени использования t _{используйте} и напряжение V _{используйте} .

NBTI, как и TDDB, выполняется путем нагружения отдельных p-фет-транзисторов в условиях инверсии (отрицательный затвор). Напряжения обычно выполняются при повышенной температуре (например, 80–150 ° C) с использованием напряжения постоянного напряжения В _a порядка одного-двух раз нормального рабочего напряжения, чтобы получить измеримые сдвиги без разрушения оксида.Типичным критерием EOL является сдвиг порогового напряжения на 50 мВ, хотя, как указывалось ранее, это не критерий «жесткого» отказа, поскольку сдвиг является непрерывным и постепенным. Уязвимые цепи для NBTI — это цепи с низким рабочим циклом (p-fet остается включенным в течение длительного времени), поскольку NBTI усугубляется постоянным постоянным током (без переключения или транзистор включен).

Тестирование HCI также выполняется на отдельных транзисторах, но в отличие от TDDB и NBTI, оно требует смещения стока в дополнение к смещению затвора, поскольку износ вызывается носителями энергии в канале.Сток смещен при постоянном напряжении В, _, порядка одного-двух значений нормального рабочего напряжения, а затвор обычно удерживается либо при таком же смещении, либо при половине напряжения стока. Уязвимые цепи для отказа HCI — это цепи с высоконагруженными устройствами и высокими коэффициентами заполнения, поскольку повреждение происходит только во время фазы проводимости, когда переключается затвор.

Модели уязвимости с аппаратными ошибками, рассмотренные выше (см. Рис. 5), представляют собой основанные на физике уравнения поведения, которые помогают нам рассчитать среднее время безотказной работы (MTTF) на уровне отдельного компонента (устройства или межсоединения).Здесь необходимо упомянуть, что многие из этих уравнений со временем развиваются, чтобы уловить уникальные эффекты конкретных узлов полупроводниковой технологии. Фактически, даже для одной и той же эпохи базовых технологий отдельные поставщики имеют собственные индивидуализированные модели, которые очень специфичны для их конкретного литейного производства. Уравнения, изображенные на рис. 5, являются общими примерами, представляющими технологии недавней предшествующей эпохи, и поэтому не следует предполагать, что они точно отражают конкретные литейные технологии текущего поколения.

Кроме того, когда дело доходит до возможности моделирования воздействия таких серьезных ошибок на системном уровне в контексте реальных рабочих нагрузок приложений, используются такие методы, как RAMP [19–21] на уровне ядра процессора и последующее многоядерное моделирование. Следует упомянуть инновации (например, Шин и др. [22–24]). Идея состоит в том, чтобы сначала собрать репрезентативную статистику использования и рабочего цикла с симуляторов на уровне архитектуры, управляемую рабочими нагрузками целевых приложений. Затем они используются в сочетании с физическими моделями на уровне устройства, а также с параметрами плотности устройства и уровня схемы для определения значений сбоев во времени (FIT) для каждой структуры.Затем FIT для конкретных устройств соответствующим образом комбинируются для получения общих FIT для микросхемы. Исходя из этого, может быть получено значение MTTF на уровне микросхемы при подходящих предположениях о функциях частоты (распределения) ошибок.

Транзистор | Инжиниринг | Фэндом

Файл: Transistors.agr.jpg

Транзисторы в ассортименте

Транзистор представляет собой трехконтактное полупроводниковое устройство, которое может использоваться для усиления, переключения, стабилизации напряжения, модуляции сигнала и многих других функций.Транзистор является фундаментальным строительным блоком как цифровых, так и аналоговых интегральных схем — схемы, которая управляет работой компьютеров, сотовых телефонов и всей другой современной электроники.

Слово транзистор , придуманное Джоном Робинсоном Пирсом в 1949 году, представляет собой ракурс транзистора или переходного варистора (см. Раздел истории ниже).

Транзисторы делятся на две основные категории: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET).Приложение тока в транзисторах BJT и напряжения в полевых транзисторах между входными и общими клеммами увеличивает проводимость между общей и выходной клеммами, тем самым контролируя протекание тока между ними. Для получения дополнительных сведений о работе этих двух типов транзисторов см. Полевой транзистор и транзистор с биполярным переходом.

В аналоговых схемах транзисторы используются в усилителях (усилители постоянного тока, усилители звука, усилители радиочастоты) и линейных регулируемых источниках питания.Транзисторы также используются в цифровых схемах, где они функционируют как электронные переключатели. Цифровые схемы включают логические элементы, оперативную память (RAM), микропроцессоры и процессоры цифровых сигналов (DSP).

Многие считают транзистор одним из величайших изобретений в современной истории, занимающим важное место в печатном станке, автомобиле и телефоне. Это ключевой активный компонент практически во всей современной электронике. Его важность в современном обществе основывается на его способности массового производства с использованием высокоавтоматизированного процесса (изготовления), который позволяет достичь исчезающе низких затрат на транзистор.

Хотя миллионы отдельных (известных как дискретных ) транзисторов все еще используются, подавляющее большинство транзисторов изготавливается в интегральных схемах (также называемых микрочипами или просто микросхемами ) вместе с диодами, резисторами, конденсаторами и другими электронными устройствами. компоненты для производства полных электронных схем. Логический вентиль включает около двадцати транзисторов, тогда как усовершенствованный микропроцессор, по состоянию на 2006 год, может использовать до 1,7 миллиарда транзисторов (MOSFET) [1].

Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его универсальным устройством для немеханических задач, таких как цифровые вычисления. Транзисторные схемы также заменили электромеханические устройства для управления приборами и механизмами. Часто дешевле и эффективнее использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем разработать эквивалентную функцию механического управления.

Из-за низкой стоимости транзисторов и, следовательно, цифровых компьютеров, существует тенденция к оцифровке информации.Поскольку цифровые компьютеры предлагают возможность быстро находить, сортировать и обрабатывать цифровую информацию, все больше и больше усилий прилагается к тому, чтобы сделать информацию цифровой. В результате сегодня большая часть мультимедийных данных доставляется в цифровой форме, а затем конвертируется и представляется в аналоговой форме компьютерами. Сферы, на которые повлияла цифровая революция, включают телевидение, радио и газеты.

Первые патенты на принцип транзистора были зарегистрированы в Германии в 1928 году Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом.В 1934 году немецкий физик доктор Оскар Хайль запатентовал полевой транзистор. Неясно, была ли когда-либо построена какая-либо конструкция, и это обычно считается маловероятным.

22 декабря 1947 года Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтеру Браттейну удалось создать первый практический точечный транзистор в Bell Labs. Эта работа была результатом их усилий во время войны по производству сверхчистых германиевых «кристаллических» смесительных диодов, используемых в радиолокационных устройствах в качестве элемента частотного смесителя в микроволновых радиолокационных приемниках.Ранние ламповые технологии не переключались достаточно быстро для этой роли, что вынудило команду Bell использовать вместо них твердотельные диоды. Обладая этими знаниями, они обратились к разработке триода, но обнаружили, что это совсем не просто. В конце концов Бардин разработал новую ветвь физики поверхности, чтобы объяснить «странное» поведение, которое они наблюдали, и Бардин и Браттейн в конце концов сумели построить работающее устройство.

Bell Telephone Laboratories требовалось общее название для нового изобретения: «Полупроводниковый триод», «Твердый триод», «Триод с поверхностными состояниями», «Кристаллический триод» и «Иотатрон» все рассматривались, но «транзистор» придумал Джон Р.Пирс выиграл внутреннее голосование. Обоснование названия описано в следующей выдержке из Технического меморандума компании, призывающей к голосованию:

Шаблон: цитата

Пирс вспомнил название несколько иначе:

Шаблон: Цитата

Компания Bell запустила производство транзистора на заводе Western Electric в Аллентауне, штат Пенсильвания. Они также передали лицензию ряду других компаний-производителей электроники, включая Texas Instruments, которые производили ограниченную серию транзисторных радиоприемников в качестве инструмента продаж.Другой компании идея понравилась, и она тоже решила получить лицензию, представив собственное радио под торговой маркой Sony. Ранние транзисторы были «нестабильными» и подходили только для маломощных низкочастотных приложений, но по мере развития конструкции транзистора эти проблемы постепенно преодолевались. В течение следующих двух десятилетий транзисторы постепенно заменили более ранние электронные лампы в большинстве приложений, а позже сделали возможным появление многих новых устройств, таких как интегральные схемы и персональные компьютеры.

Шокли, Бардин и Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».Бардин впоследствии получил вторую Нобелевскую премию по физике, один из двух человек, получивших более одного в той же дисциплине, за свою работу по исследованию сверхпроводимости.

В августе 1948 года немецкие физики Герберт Ф. Матаре (1912–) и Генрих Уокер (около 1912–1981), работавшие в Compagnie des Freins et Signaux Westinghouse в Париже, Франция, подали заявку на патент на усилитель на основе неосновной несущей. процесс впрыска, который они назвали «транзистроном». Поскольку Bell Labs не объявляла о транзисторе публично до июня 1948 года, транзистрон считался разработанным независимо.Матаре впервые наблюдал эффекты крутизны при производстве германиевых дуодиодов для немецкого радиолокационного оборудования во время Второй мировой войны. Транзистроны коммерчески производились для французской телефонной компании и военных, а в 1953 году твердотельный радиоприемник с четырьмя транзистронами был продемонстрирован на Дюссельдорфской радиоярмарке.

Динамическая характеристика транзистора могла отображаться в виде кривых на раннем Transistor Curve Tracer

Шаблон: Начало плавания | — align = «center» | 50px || ПНП || 80px || P-канал | — align = «center» | 50px || NPN || 80px || N-канал | — align = «center» | BJT || || JFET || Шаблон: Плавающий конец

Транзисторы подразделяются на:

• Материал полупроводника: германий, кремний, арсенид галлия, карбид кремния
• Структура: BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, «другие типы»
• Полярность: NPN, PNP, N-канал, P-канал
• Максимальная мощность: низкая, средняя, ​​высокая
• Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, ​​высокая, радиочастота (RF), микроволновая печь (максимальная эффективная частота транзистора обозначается термином, сокращенным для «частота перехода.«Частота перехода — это частота, при которой транзистор дает единичное усиление».
• Применение: переключатель, общего назначения, аудио, высокое напряжение, супер-бета, согласованная пара
• Физическая упаковка: металл сквозного отверстия, пластик сквозного отверстия, поверхностный монтаж, решетка шариков

Таким образом, конкретный транзистор может быть описан как: кремний , поверхностный монтаж, BJT, NPN, маломощный, высокочастотный переключатель .

Биполярный транзистор

[редактировать | править источник]

Биполярный переходной транзистор (BJT) был первым типом транзистора, который производился серийно.Биполярные транзисторы названы так потому, что они проводят с использованием как мажоритарных, так и неосновных носителей. Три клеммы обозначены , эмиттер , базовый и коллектор . Внутри BJT существуют два p-n перехода: переход база / коллектор и переход база / эмиттер . BJT обычно описывается как устройство, работающее от тока, потому что ток эмиттера / коллектора контролируется током, протекающим между выводами базы и эмиттера. В отличие от полевого транзистора, BJT представляет собой устройство с низким входным сопротивлением.BJT имеет более высокую крутизну, чем полевой транзистор. Биполярные транзисторы могут проводить как свет (фотоны), так и ток. Устройства, предназначенные для этой цели, называются фототранзисторами.

Полевой транзистор [править | править источник]

Полевой транзистор (FET), иногда называемый униполярным транзистором , использует для проводимости электроны (N-канальный FET) или дырки (P-канальный FET). Три основных вывода полевого транзистора имеют имена исток , затвор и сток .На некоторых полевых транзисторах предусмотрено четвертое соединение с корпусом (подложкой), но обычно корпус подключается к источнику внутри.

Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет током, протекающим между истоком и стоком. В полевых транзисторах ток истока / стока протекает через проводящий канал рядом с затвором . Этот канал соединяет область истока с областью стока . Проводимость канала изменяется электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным между выводами затвор / исток.Таким образом регулируется ток, протекающий между истоком и стоком. Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы могут проводить свет (фотоны), а также напряжение. Устройства, предназначенные для этой цели, называются фототранзисторами.

Полевые транзисторы

делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом (JFET) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как металл-оксид-полупроводник FET (MOSFET), из-за их первоначальной конструкции как слой металла (затвор), слой оксида (изоляция) и слой полупроводника.В отличие от IGFET, затвор JFET образует PN-диод с каналом, который находится между истоком и стоком. Функционально это делает N-канальный полевой транзистор JFET твердотельным эквивалентом триода для электронных ламп, который аналогично образует диод между своей сеткой и катодом. Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , они оба имеют высокий входной импеданс и оба проводят ток под управлением входного напряжения.

MESFET — это полевые транзисторы JFET, в которых обратносмещенный PN-переход заменен переходом Шоттки полупроводник-металл.Они, а также HEMFET (полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (микроволновые частоты; несколько ГГц).

Полевые транзисторы

подразделяются на типы с режимом истощения и с режимом улучшения . Режим относится к полярности напряжения затвора по отношению к источнику на пороге проводимости. Для полевых транзисторов с N-канальным режимом истощения затвор является отрицательным по отношению к источнику, в то время как для полевых транзисторов с N-канальным расширенным режимом затвор является положительным на пороге проводимости.Для обоих режимов, если напряжение затвора сделать более положительным, ток истока / стока увеличится. Для устройств с P-каналом полярность обратная. Почти все полевые транзисторы JFET относятся к режимам истощения, а большинство IGFET — к режимам расширения.

Другие типы транзисторов [править | править источник]

• Однопереходные транзисторы могут использоваться как простые генераторы импульсов. Они состоят из основного корпуса полупроводника P-типа или N-типа с омическими контактами на каждом конце (клеммы Base1 и Base2 ).Переход с противоположным типом полупроводников формируется в точке по длине корпуса для третьего вывода (эмиттер , ).
• Полевые транзисторы с двумя затворами имеют один канал с двумя затворами в каскоде; конфигурация, оптимизированная для высокочастотных усилителей , , смесителей , и генераторов.
• Матрицы транзисторов используются для приложений общего назначения, для генерации функций и низкоуровневых, малошумящих усилителей .Они включают в себя два или более транзисторов на общей подложке для обеспечения точного согласования параметров и теплового отслеживания, характеристик, которые особенно важны для усилителей с длинными хвостовиками .
Транзисторы Дарлингтона
• содержат биполярный транзистор средней мощности, подключенный к силовому биполярному транзистору. Это обеспечивает высокий коэффициент усиления по току, равный произведению коэффициентов усиления по току двух транзисторов. Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования.
• Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) используют IGFET средней мощности, аналогично подключенный к силовому BJT, чтобы обеспечить высокий входной импеданс.Силовые диоды часто подключаются между определенными клеммами в зависимости от конкретного использования. БТИЗ особенно подходят для тяжелых промышленных приложений. Asea Brown Boveri (ABB) 5SNA2400E170100 [2] показывает, насколько далеко продвинулась технология силовых полупроводников. Это устройство, предназначенное для трехфазных источников питания, вмещает три NPN IGBT в корпусе размером 38 на 140 на 190 мм и весом 1,5 кг. Каждый IGBT рассчитан на 1700 вольт и может выдерживать 2400 ампер.
• Одноэлектронные транзисторы (SET) состоят из островка затвора между двумя туннельными переходами.Туннельный ток регулируется напряжением, подаваемым на затвор через конденсатор. [3] [4]
• Полный список типов транзисторов T-Transistor.com

Полупроводниковый материал [редактировать | править источник]

Первые биполярные транзисторы были сделаны из германия (Ge), и некоторые из них до сих пор используются с высокой мощностью. Типы кремния (Si) в настоящее время преобладают, но в некоторых усовершенствованных микроволновых и высокопроизводительных версиях теперь используется полупроводниковый материал , арсенид галлия (GaAs) и полупроводниковый сплав , кремний-германий (SiGe).Одноэлементный полупроводниковый материал (Ge и Si) описывается как элементарный .

Характеристики наиболее распространенных полупроводниковых материалов, используемых для изготовления транзисторов, приведены в таблице ниже:

Характеристики полупроводникового материала

Полупроводник материал	Переход передний напряжение В при 25 ° C	Подвижность электронов м / с при 25 ° C	Подвижность отверстий м / с при 25 ° C	Макс.температура соединения ° С
Ge	0,27	0,39	0,19	от 70 до 100
Si	0,71	0,14	0,05	от 150 до 200
GaAs	1,03	0,85	0,05	от 150 до 200
переход Al-Si	0,3	–	–	от 150 до 200

Прямое напряжение перехода — это напряжение, приложенное к переходу эмиттер-база BJT, чтобы заставить базу проводить заданный ток.Ток экспоненциально увеличивается с увеличением прямого напряжения перехода. Значения, приведенные в таблице, типичны для тока 1 мА (те же значения применимы к полупроводниковым диодам). Чем ниже прямое напряжение перехода, тем лучше, поскольку это означает, что для «управления» транзистором требуется меньшая мощность. Прямое напряжение перехода для данного тока уменьшается с температурой. Для типичного кремниевого перехода изменение составляет примерно -2,1 мВ / ° C.

Столбцы подвижности электронов и подвижности дырок показывают среднюю скорость, с которой электроны и дырки диффундируют через полупроводниковый материал с электрическим полем 1 вольт на метр, приложенным к материалу.В общем, чем выше подвижность электронов, тем быстрее транзистор. Таблица показывает, что Ge в этом отношении является лучшим материалом, чем Si. Однако Ge имеет четыре основных недостатка по сравнению с кремнием и арсенидом галлия: его максимальная температура ограничена, он имеет относительно высокий ток утечки, он не может выдерживать высокие напряжения и менее подходит для изготовления интегральных схем. Поскольку подвижность электронов выше подвижности дырок для всех полупроводниковых материалов, данный биполярный транзистор NPN имеет тенденцию быть быстрее, чем эквивалентный тип транзистора PNP.GaAs имеет самую высокую подвижность электронов из трех полупроводников. Именно по этой причине GaAs используется в высокочастотных приложениях. Относительно недавняя разработка полевого транзистора, транзистор с высокой подвижностью электронов (HEMT), имеет гетероструктуру (соединение между различными полупроводниковыми материалами) из арсенида алюминия-галлия (AlGaAs) -арсенида галлия (GaAs), который имеет двойную подвижность электронов по сравнению с GaAs- металлический барьерный переход. Из-за их высокой скорости и низкого уровня шума HEMT используются в спутниковых приемниках, работающих на частотах около 12 ГГц.

Макс. Значения температуры перехода представляют собой поперечное сечение, взятое из технических паспортов различных производителей. Эту температуру нельзя превышать, иначе можно повредить транзистор.

Переход Al-Si относится к быстродействующему (алюминий-кремний) полупроводниково-металлическому барьерному диоду, широко известному как диод Шоттки. Это включено в таблицу, поскольку некоторые кремниевые силовые IGFET-транзисторы имеют паразитный обратный диод Шоттки , сформированный между истоком и стоком как часть процесса изготовления.

Упаковка [править | править источник]

Файл: Transistor-photo.JPG

Транзисторы со сквозным отверстием (рулетка, отмеченная в сантиметрах)

Транзисторы бывают разных корпусов (держателей микросхем) (см. Изображения). Две основные категории: для сквозного монтажа (или с выводами ) и для поверхностного монтажа , также известное как устройство для поверхностного монтажа (SMD). Матрица с шариковой решеткой (BGA) — это новейший корпус для поверхностного монтажа (в настоящее время только для больших транзисторных матриц ).Он имеет припойные «шарики» на нижней стороне вместо выводов. Поскольку они меньше по размеру и имеют более короткие межсоединения, SMD имеют лучшие высокочастотные характеристики, но более низкую номинальную мощность.

Корпуса транзисторов изготавливаются из стекла, металла, керамики или пластика. Пакет часто диктует номинальную мощность и частотные характеристики. Силовые транзисторы имеют большие корпуса, которые можно прикрепить к радиаторам для улучшения охлаждения. Кроме того, у большинства силовых транзисторов коллектор или сток физически соединены с металлической банкой / металлической пластиной.С другой стороны, некоторые СВЧ-транзисторы для поверхностного монтажа размером с песчинки.

Часто транзисторы данного типа доступны в разных корпусах. Пакеты транзисторов в основном стандартизированы, но назначение функций транзистора клеммам нет: разные типы транзисторов могут назначать разные функции клеммам корпуса. Даже для одного и того же типа транзистора назначение выводов может варьироваться (обычно обозначается буквой суффикса к номеру детали — i.е. BC212L и BC212K).

На заре разработки схем транзисторов биполярный переходной транзистор, или BJT, был наиболее часто используемым транзистором. Даже после того, как полевые МОП-транзисторы стали доступны, BJT оставался предпочтительным транзистором для цифровых и аналоговых схем из-за простоты их изготовления и скорости. Однако полевой МОП-транзистор имеет несколько желательных свойств для цифровых схем, и с тех пор, как значительные достижения в цифровых схемах подтолкнули конструкцию МОП-транзистора к современному уровню техники. MOSFET теперь широко используются как для аналоговых, так и для цифровых функций.

Файл: BJT Switch.png

Транзистор BJT, используемый в качестве электронного переключателя

Файл: BJT Amplifier.png

Принципиальная схема усилителя

Переключатели [редактировать | править источник]

Транзисторы

обычно используются в качестве электронных переключателей как для приложений с высокой мощностью, включая источники питания | импульсные источники питания]], так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как логические вентили.

Усилители

[править | править источник]

От мобильных телефонов до телевизоров — огромное количество товаров включает усилители для воспроизведения звука, радиопередачи и обработки сигналов.Первые дискретные транзисторные усилители звука едва выдавали несколько сотен милливатт, но мощность и точность воспроизведения звука постепенно увеличивались по мере появления лучших транзисторов и развития архитектуры усилителя.

Транзисторы обычно используются в усилителях современных музыкальных инструментов, где схемы мощностью до нескольких сотен ватт являются обычными и относительно дешевыми. Транзисторы в значительной степени заменили клапаны в инструментальных усилителях. Некоторые производители усилителей для музыкальных инструментов смешивают в одной цепи транзисторы и электронные лампы, чтобы использовать преимущества обоих устройств.

Компьютеры [править | править источник]

Электронные компьютеры «первого поколения» использовали вакуумные лампы, которые выделяли большое количество тепла, были громоздкими и ненадежными. Разработка транзистора была ключом к миниатюризации и надежности компьютера. «Второе поколение» компьютеров, до конца 1950-х и 1960-х годов, состояло из плат, заполненных отдельными транзисторами и сердечниками магнитной памяти. Впоследствии транзисторы, другие компоненты и их необходимая проводка были объединены в единый массовый компонент: интегральную схему.Транзисторы, встроенные в интегральные схемы, заменили большинство дискретных транзисторов в современных цифровых компьютерах.

Преимущества транзисторов перед электронными лампами [править | править источник]

До разработки транзисторов электронные лампы (или в Великобритании термоэлектронные лампы или просто клапаны ) были основными активными компонентами в электронном оборудовании. Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить своих предшественников на электронных лампах в большинстве приложений:

• Меньший размер (несмотря на продолжающуюся миниатюризацию электронных ламп)
• Высокоавтоматизированное производство
• Более низкая стоимость (при серийном производстве)
• Более низкие возможные рабочие напряжения (но вакуумные лампы могут работать и при более высоких напряжениях)
• Без периода прогрева (большинству электронных ламп для правильной работы требуется от 10 до 60 секунд)
• Меньшее рассеивание мощности (отсутствие мощности нагревателя, очень низкое напряжение насыщения)
• Более высокая надежность и большая физическая прочность (хотя вакуумные лампы более прочны в электрическом отношении.Кроме того, вакуумная трубка намного более устойчива к ядерным электромагнитным импульсам (NEMP) и электростатическому разряду (ESD))
• Намного более длительный срок службы (катоды вакуумных ламп в конечном итоге израсходуются, и вакуум может загрязняться)
• Доступны дополнительные устройства (допускающие схемы с комплементарной симметрией : вакуумные лампы с полярностью, эквивалентной PNP BJT или полевым транзисторам P-типа, недоступны)
• Способность управлять большими токами (доступны силовые транзисторы для управления сотнями ампер, электронные лампы для управления даже одним ампером большие и дорогостоящие)
• Намного менее микрофонный (вибрация может модулировать характеристики вакуумной лампы, хотя это может способствовать звучанию гитарных усилителей)

« Природа ненавидит вакуумную лампу » Myron Glass (см. John R.Пирс), Bell Telephone Laboratories, около 1948 года.

С 1960-х годов доступен широкий спектр транзисторов, и производители постоянно вводят улучшенные типы. Ниже приведены несколько примеров из основных семейств. Если не указано иное, все типы изготавливаются из кремниевых полупроводников. Дополнительные пары показаны как канал NPN / PNP или N / P. Ссылки ведут к таблицам данных производителя, которые находятся в формате PDF. (В некоторых таблицах данных точность указанной категории транзисторов вызывает споры.)

• 2N3904 / 2N3906, BC182 / BC212 и BC546 / BC556: универсальные, BJT, универсальные, маломощные, дополнительные пары. У них есть пластиковые корпуса, и они стоят примерно десять центов США в небольших количествах, что делает их популярными среди любителей.

• AF107: Германий, 0,5 Вт, 250 МГц PNP BJT.

• BFP183: Низкое энергопотребление, микроволновая печь, 8 ГГц, NPN BJT.

• LM394: «пара суперматч», с двумя NPN BJT на одной подложке.

• 2N2219A / 2N2905A: BJT, общего назначения, средней мощности, дополнительная пара.В металлических корпусах они рассчитаны примерно на один ватт.

• 2N3055 / MJ2955: В течение многих лет уважаемый NPN 2N3055 был «стандартным» силовым транзистором. Его дополнение, PNP MJ2955, прибыло позже. Эти BJT 1 МГц, 15 А, 60 В, 115 Вт используются в усилителях мощности звука, источниках питания и системах управления.

• 2SC3281 / 2SA1302: Эти BJT, изготовленные Toshiba, имеют характеристики с низким уровнем искажений и используются в мощных усилителях звука. Они широко подделывались [5].

• BU508: NPN, питание 1500 В, BJT. Разработанный для горизонтального отклонения телевизоров, его способность к высоковольтному оборудованию также делает его пригодным для использования в системах зажигания.

• MJ11012 / MJ11015: 30 А, 120 В, 200 Вт, дополнительная пара BJT Дарлингтона большой мощности. Используется в усилителях звука, управлении и переключении мощности.

• 2N5457 / 2N5460: JFET (режим истощения), общего назначения, малой мощности, комплементарная пара.

• BSP296 / BSP171: IGFET (режим улучшения), средняя мощность, почти комплементарная пара.Используется для преобразования логического уровня и управления силовыми транзисторами в усилителях.

• IRF3710 / IRF5210: IGFET (режим улучшения), 40 А, 100 В, 200 Вт, пара почти комплементарная. Для мощных усилителей и переключателей мощности, особенно в автомобилях.

Патенты [править | править источник]

Книги [править | править источник]

Другое [править | править источник]

Шаблон: Викиучебники

Что такое транзистор? | Основы электроники

Транзистор был изобретен в 1948 году в Bell Telephone Laboratories.

Изобретение транзистора стало беспрецедентным достижением в электронной промышленности.Это ознаменовало начало нынешней эпохи в секторе электроники. После изобретения транзистора технический прогресс стал более частым, наиболее заметным из которых были компьютерные технологии. Трое физиков, которые изобрели транзистор; Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии. Учитывая изобретения, которые открыли транзисторы, можно утверждать, что это было самое важное изобретение двадцатого века.

От германия к кремнию

Транзисторы изначально производились с использованием германия.Это было стандартом для первого десятилетия производства транзисторов. Транзисторы на основе кремния, которые мы привыкли видеть сегодня, были приняты, потому что германий разрушается при температуре 180 градусов F.

Функции транзистора

Функции транзистора состоят из усиления и переключения. Возьмем для примера радио: сигналы, которые радио принимает из атмосферы, очень слабые. Радио усиливает эти сигналы через выход динамика. Это функция «усиления».

Для аналогового радио простое усиление сигнала заставит динамики воспроизводить звук. Однако для цифровых устройств форму входного сигнала необходимо изменить. Для цифрового устройства, такого как компьютер или MP3-плеер, транзистор должен переключать состояние сигнала на 0 или 1. Это «функция переключения»

Даже более сложные компоненты, такие как интегральные схемы, изготовленные из жидкого кремния, в основном представляют собой наборы транзисторов.

Резисторы и транзисторы на одном кристалле

Изначально дискретные резисторы и транзисторы устанавливались на одних и тех же печатных платах.Позже транзисторные микросхемы со встроенными резисторами были разработаны как цифровые транзисторы. Использование цифровых транзисторов в конструкциях имеет:
1. Они требуют меньше места для установки компонентов на печатной плате.
2. Они требуют меньше времени для монтажа компонентов на печатной плате.
3. Это уменьшает количество необходимых компонентов.

Цифровые транзисторы защищены одним из эксклюзивных патентов ROHM.

Первые транзисторы со встроенными резисторами были разработаны фирмой ROHM, получившей патентные права.Цифровые транзисторы также защищены одним из эксклюзивных патентов ROHM.

Как работает транзистор?

Одна аналогия, которая помогает объяснить, как работает транзистор, — это думать о нем как о водопроводном кране. В этом случае электрический ток работает как вода. Транзистор имеет три контакта: база, коллектор и эмиттер. Основание работает как ручка крана, коллектор подобен трубе, которая идет в кран, а эмиттер подобен отверстию, через которое льется вода.Поворачивая ручку крана с небольшим усилием, мы можем контролировать мощный поток воды. Эта вода течет по трубе и выходит из отверстия. Слегка повернув ручку крана, можно значительно увеличить скорость потока воды. Если закрыть полностью, вода не будет течь. Если открыть полностью, вода будет хлестать как можно быстрее!

Теперь мы можем погрузиться в правильное объяснение, используя диаграммы ниже. Транзистор имеет три контакта: эмиттер (E), коллектор (C) и базу (B).База контролирует ток от коллектора до эмиттера. Ток, протекающий от коллектора к эмиттеру, пропорционален току базы. Ток эмиттера или базовый ток = hFE. Показанная установка использует коллекторный резистор (RI). Если через RI протекает ток Ic, на этом резисторе будет сформировано напряжение, равное произведению Ic x RI. Это означает, что напряжение на транзисторе равно: E2 — (RI x Ic). Ic приблизительно равно Ie, поэтому, если IE = hFE x IB, то Ic также равно hFE x IB.Следовательно, при подстановке напряжение на транзисторах (E) = E2 (RI x le x hFE). По сути, входное напряжение E появляется на выходе после преобразования в напряжение IcRL.

(* 1) hfe: Коэффициент усиления постоянного тока транзистора.

Транзистор

ELEC_ENG 401: Основы электронных устройств | Электротехника и вычислительная техника

Предлагаемый квартал

Осень : ТТХ 2: 40-4 ; Халили, Педрам

Предварительные требования

ELEC_ENG 381, ELEC_ENG 384 и ELEC_ENG 388 или согласие инструктора.

Описание

Явления переноса в полупроводниках, теория p-n-перехода, биполярные и униполярные устройства, общий анализ структур металл-полупроводник и МДП, CCD, MOSFET и биполярные транзисторы.

НЕОБХОДИМЫЕ ТЕКСТЫ: S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices , Wiley, 2nd edition, 1981.

СПРАВОЧНЫЕ ТЕКСТЫ:

• С.М. Зе, изд., Физика современных полупроводниковых устройств , Wiley, 1998.
• С.М. Sze, ed., High Speed ​​Semiconductor Devices , Wiley, 1990.
• М. Разеги, Основы твердотельной техники , 2-е изд., Springer, 2006.

ИНСТРУКТОР КУРСА: Проф. Педрам Халили

КООРДИНАТОР КУРСА: Проф. Корай Айдын

ЦЕЛИ КУРСА: Курс предназначен для изучения физики, лежащей в основе работы электронных устройств, а также для подготовки студентов к углубленным курсам по твердотельной и квантовой электронике.Курс предназначен для расширения знаний, полученных на курсах бакалавриата по электронным устройствам. Основной упор делается на фундаментальную физику, лежащую в основе работы устройства. Темы включают в себя основы физики и основные принципы работы электронных устройств с акцентом на биполярные транзисторы и униполярные микроволновые устройства.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ : ELEC_ENG 381, ELEC_ENG 384 и ELEC_ENG 388 или согласие инструктора.

ПОДРОБНЫЕ ТЕМЫ КУРСА:

WEEK 1: p-n-переходной диод: базовая технология устройства, область истощения, вольт-амперные характеристики, пробой перехода, переходные процессы и шум, клеммные функции, гетеропереход.

WEEK 2: Биполярный транзистор: статические характеристики, СВЧ-транзистор, силовой транзистор, переключающий транзистор, связанные структуры устройств.

НЕДЕЛЯ 3: Тиристор: основные характеристики, диод Шокли и трехконтактный тиристор, соответствующий силовой тиристор, диак и симистор, однопереходный транзистор и триггерный тиристор, тиристор с полевым управлением.

WEEK 4: Контакты металл-полупроводник: зависимость энергетических зон, эффект Шоттки, процессы переноса тока, характеристика высоты барьера, структура устройства, омический контакт.

WEEK 5: JFET и MESFET: основные характеристики устройства, общие характеристики, характеристики микроволн, соответствующие устройства с полевым эффектом.

WEEK 6: MIS-диод и CCD: идеальный MIS-диод, So-SiO 2 MOS-диод, устройство с зарядовой связью.

WEEK 7: Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET): основные характеристики устройства, неоднородное легирование и устройства со скрытыми каналами, эффекты короткого канала, структуры MOSFET, устройства энергонезависимой памяти.

WEEK 8: Туннельные устройства: туннельный диод, обратный диод, туннельный диод MIS, переключающий диод MIS, туннельный диод MIM, туннельный транзистор.

WEEK 9: IMPATT и связанные с ним диоды с временем прохождения: статические характеристики, динамические характеристики, мощность и эффективность, шумовое поведение, конструкция и характеристики устройства, диоды BARITT и DOVETT, диоды TRAPATT.

WEEK 10: Устройства на перенесенных электронах: эффект перенесенных электронов, режимы работы, характеристики устройств.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРА: Нет.

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ: Домашнее задание назначается еженедельно для закрепления понятий, изученных в классе.

КЛАССЫ:

Домашнее задание — 20%

Среднесрочная — 30%

Финал — 50%

ЦЕЛИ КУРСА: Когда студент заканчивает этот курс, он / она должен быть в состоянии понять или быть знакомым с:

• Понимать основы физики переноса носителей в объемных полупроводниках и структурах реальных устройств.

• Понимать основы работы основных полупроводниковых электронных устройств.

• Знать основные параметры электронных устройств, их характеристики и ограничивающие факторы.

• Уметь представить результаты учебы и исследований.

ABET: 10% наука, 90% инженерия

Органическая силовая электроника: работа транзистора в режиме кА / см 2

Схема транзистора

Базовая установка OPBT, как показано на рис.1а и б, состоит из трех электродов, эмиттера, базы и коллектора, вмещающих два полупроводниковых слоя. Тонкий слой алюминия в середине пассивирован естественным оксидом и регулирует поток заряда через свои наноразмерные отверстия с помощью приложенного потенциала ¹⁷ . Подробное описание механизма работы можно найти в исх. 16. Наши результаты основаны на конфигурации OPBT, представленной в исх. 18 с использованием C ₆₀ в качестве полупроводникового материала и оптимизированной структуры устройства, ведущей к современным характеристикам, представленным в исх.15. Зауженный верхний электрод шириной около 200 мкм используется в сочетании со структурированным изолирующим окном такой же ширины для реализации активной области A _act размером 0,046 мм ² путем термического испарения и низкого давления. -разрешение теневых масок, совместимых с технологией изготовления OLED-дисплеев ¹⁹ .

Рисунок 1: Настройка транзистора и характеристики постоянного тока.

( a ) Поперечное сечение устройства и электрическая схема в конфигурации с общим эмиттером.Материалы: алюминий (Al), хром (Cr), n-легированный C ⁶⁰ (nC ⁶⁰ ), чистый / нелегированный C ⁶⁰ (iC ⁶⁰ ), самородный оксид алюминия (AlO _X ) . Синие стрелки указывают на поток электронов. ( b ) Изображение сверху под микроскопом, показывающее ориентацию электрода и структуры, а также активную область A _act (желтый). ( c ) Кривые передачи (i-C ₆₀ : верх 30 нм / нижний 100 нм) для различных рабочих напряжений В _CE .Высокое отношение включения / выключения 10 ⁸ , плотность тока в открытом состоянии 75 А · см ⁻² и подпороговая крутизна 85 мВ дек. ⁻¹ достигаются при V _CE , равном 2 В. ( d ) линейная и ( e ) двойная логарифмическая выходная характеристика. Все кривые ограничены линейным законом при низких напряжениях и квадратичным законом при более высоких напряжениях, что соответствует переносу заряда через собственный слой C ₆₀ , который также ограничивает максимальный ток кривой переноса.

Характеристики постоянного тока

На рисунке 1c показаны передаточные кривые OPBT для различных рабочих напряжений В _CE , приложенных между коллектором и эмиттером. OPBT работает даже при очень низких напряжениях 1 мВ, все еще показывая отношение включения / выключения более 10 ² . Однако, когда В _CE выше 1 В, ток легко достигает уровня, при котором начинается самонагрев Джоуля, поэтому блок измерения источника настроен на импульс всех напряжений для токов выше 1 мА (> 2.2 А · см ⁻² ). Эффекты самонагрева в аналогичной геометрии устройства были ранее исследованы ^13,20 и будут следовать для OPBT, особенно когда импульсные измерения с временным разрешением предсказывают, что самонагрев не полностью подавляется при более высокой потребляемой мощности (см. Информация). OPBT имеет плотность тока 75 А · см ⁻² , отношение включения / выключения 10 ⁸ , подпороговую крутизну 85 мВ дек. ^-1 близко к теоретическому оптимуму 60 мВ дек. ^-1 , и гистерезис по часовой стрелке ниже 75 мВ при умеренном В _CE 2 В. Наблюдаются усиления более 10 ⁴ (см. Дополнительную информацию) ²¹ . Выходная характеристика на рис. 1d демонстрирует четкое поведение при насыщении, хотя длина канала этого устройства находится в диапазоне нм ¹⁶ . Обычно такие устройства с коротким каналом теряют свое поведение насыщения из-за эффектов короткого канала. Мы объясняем этот эффект наноразмерными отверстиями в базовом электроде, которые экранируют электрическое поле между эмиттером и коллектором до такой степени, что может иметь место частичное насыщение ^22,23 .

Ток, ограниченный пространственным зарядом

Интересно, что передаточные кривые на рис. 1c достигают насыщения, когда напряжение база-эмиттер В _BE приближается к В _CE , обозначенным красными квадратами. По сравнению с выходной характеристикой, ср. На рис. 1d и e эти токи в открытом состоянии соответствуют линейному и квадратичному пределу при низком и повышенном В _CE соответственно, что обычно наблюдается для диодов, имеющих ток, ограниченный пространственным зарядом (SCLC) ²⁴ .Этот эффект пространственного заряда в собственных слоях дополнительно подтверждается дрейфово-диффузионным моделированием в [4]. 16, демонстрирующий именно упомянутую выше зависимость напряжения, когда инжекция заряда может считаться идеальной. Значительным преимуществом многослойной геометрии OPBT является то, что можно легко вставить слой инжекции легированного заряда. Мы используем n-легированный слой C ₆₀ (n-C ₆₀ ), как показано на рис. 1a, для уменьшения контактного сопротивления, возникающего на границе раздела между эмиттерным электродом и верхним полупроводниковым слоем ²⁵ .

Чтобы показать, что наш верхний предел тока задается SCLC, соответствующий закон Мотта-Герни

используется для описания L -зависимости ( ε и ε ₀ связаны с диэлектрической проницаемостью) ²⁶ . Мы исследуем образцы с разной собственной толщиной слоя на верхней части основы, в то время как слой под основанием остается постоянным, так что рост и морфология основного электрода могут считаться неизменными.На рис. 2а представлены выходные характеристики в двойном логарифмическом масштабе, каждая из которых получена при В _BE 1,5 В. Масштаб токов с кубической зависимостью от толщины, как предсказано в формуле. 1. Однако ни общую толщину обоих внутренних слоев, ни толщину верхнего внутреннего слоя нельзя использовать для сведения всех кривых вместе. Вместо этого необходимо использовать уменьшенную эффективную длину L _eff , лежащую между двумя указанными выше значениями толщины, чтобы добиться хорошего согласования после изменения масштаба.Такое поведение можно легко понять, если учесть, что во включенном состоянии OPBT заряды сильно накапливаются перед естественным оксидом основного электрода, что приводит к образованию высокопроводящей области, которую можно рассматривать как « виртуальный контакт ». ‘ ¹⁶ . Как показано на рис. 2b, перенос заряда через верхний и нижний собственный слой ведет себя в каждом случае как отдельный элемент SCLC длиной L ₁ и L ₂ соответственно.

Рисунок 2

( a ) Выходные характеристики при В _BE 1,5 В для разной толщины слоя C ₆₀ нормированы на третью степень эффективной длины устройства L eff для доказательства объемного заряда ограниченные токи в ОПБТ. Объемная подвижность перпендикулярно подложке 0,06 см ² V ^-1 с ^-1 . ( b ) Визуализация уменьшенного L _eff как суммы двух последовательно соединенных устройств SCLC.

Если эти два элемента соединены последовательно, как реализуется виртуальным контактом, можно показать, что вольт-амперные характеристики по-прежнему соответствуют формуле. 1 (см. Дополнительную информацию), но с эффективной длиной

.

Из этих результатов можно сделать следующие выводы: Во-первых, результат позволяет извлечь объемную подвижность C ₆₀ для переноса заряда перпендикулярно подложке мкм = 0,06 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ ( ε из C ₆₀ составляет ок.4) ¹² . Хотя это значение довольно низкое по сравнению с подвижностями, измеренными в OFET, оно обеспечивает превосходные характеристики, описанные выше, и должно дополнительно мотивировать ученых-материаловедов уделять больше внимания повышению объемной подвижности органических полупроводников ^27,28 . Боковые полевые подвижности теперь легко достигают значений до 10 см ² В ⁻¹ с ⁻¹ , ср. исх. 29. Если было бы возможно применить эти достижения к OPBT, более чем в 100 раз более высокие плотности тока (> 1 кА · см ⁻² ) возможны при низком рабочем напряжении 1 В и меньшем рассеянии мощности.Во-вторых, поскольку основным ограничением является SCLC, устройства должны быть как можно более тонкими, всегда выбираемыми в качестве компромисса между производительностью, стабильностью устройства (электрические короткие замыкания) и разумными напряжениями пробоя. В основном это означает, что при заданной подвижности носителей заряда и размере полупроводникового слоя OPBT может управлять максимально возможными плотностями тока, которые может реализовать полупроводник. Все ограничения, которые можно увидеть при низких напряжениях в выходных характеристиках, ср.На рис. 1d показаны ограничения, которые, по крайней мере, есть у каждого транзистора с нулевым сопротивлением канала. Это означает, что несколько нелогично, что наноразмерные отверстия основного электрода не ограничивают перенос заряда. В-третьих, зависимость напряжения предсказывает сверхлинейное увеличение при приложении более высоких напряжений, так что достигаются экстремальные плотности тока выше 1 кА · см 90 · 104 −2 90 · 105.

В сторону 1 кА см

⁻²

Чтобы доказать это предположение, мы изменили расположение наших электродов таким образом, чтобы эмиттерный электрод стал шире, чтобы уменьшить его сопротивление.Образцы с узкими эмиттерными электродами показывают линейную зависимость тока от напряжения при максимальном токе, вызванном сопротивлением электрода около 20 Ом, и мы наблюдаем, что верхний электрод в основном отрывается по краям из-за сильных полей и сильного рассеивания мощности (см. Дополнительную информацию ). Когда мы используем более широкий эмиттерный электрод, активная площадь OPBT остается постоянной, но структурирована двумя изолирующими слоями со свободными полосами по 200 мкм, перпендикулярными друг другу ¹⁷ .

Как видно на рис.3 образцы показывают аналогичные плотности тока в открытом состоянии по сравнению с результатами на рис. 1 при напряжениях ниже 2 В. Плотности тока в закрытом состоянии увеличиваются при использовании этого метода структурирования, вероятно, из-за большего прямого перекрытия электродов эмиттер-коллектор, но не влияют на характеристики включенного состояния. Таким образом, мы можем доказать, что плотность тока 1,1 кА см. ⁻² (501 мА) приводится в действие OPBT при напряжении 7 В В _CE и мощность более 1 Вт подается на структуру. на короткое время.Неразрушающий характер измерения подтверждается двойной разверткой напряжения затвор-исток во всех случаях, позволяющей переключаться из выключенного состояния во включенное и обратно, даже несмотря на то, что гистерезис вводится для предельной кривой. Обратите внимание, что плотность тока в отверстиях наноразмерного основания должна быть еще больше, по оценкам, в 100–1000 раз больше.

Рисунок 3

Кривые передачи (i-C60: верхние 30 нм / нижние 50 нм) устройства с оптимизированным широким расположением электродов при различных рабочих напряжениях В _CE .Применение напряжения 7 В на В _CE приводит к плотности тока, превышающей 1 кА см ⁻² (красная линия). Все измерения выполняются с двойной разверткой для подтверждения неразрушающего действия. Врезка: изображение OPBT с расширенным эмиттерным электродом под микроскопом.

Хотя устройство не может постоянно работать при таких высоких токах с нынешней тепловой конструкцией образца, все же есть случаи, когда можно использовать даже наши неоптимизированные устройства. Например, схема передатчика может излучать с повышенной мощностью, но только в течение короткого времени, чтобы снизить энергопотребление автономного устройства.Кроме того, транзисторы выбора в схемах отображения должны быть очень быстрыми, поскольку они должны обновлять каждый пиксель за минимальное время. Т.е. необходимы высокая крутизна проводимости, высокая скорость переключения и высокое соотношение включения-выключения, но не в установившемся режиме.

Характеристики переменного тока

Скорость переключения OPBT исследуется путем измерения переходной частоты f _T , при которой достигается единичный коэффициент усиления по току, см. Рис. 4a (и дополнительная информация). Мы используем установку прямого измерения f _T и оптимизированные OPBT для высоких токов ^15,30 .При плотности тока j 40 А см ⁻² и V _CE около 3,6 В OPBT (верхние 30 нм / нижние 100 нм) усиливает сигналы до 11,8 МГц, хотя расположение электродов еще не оптимизирован для снижения паразитных емкостей. Следуя характеристике f _T по сравнению с характеристикой j , ожидается намного более высокое значение f _T около 100 МГц, если ток будет установлен равным 1 кА см ⁻² . Однако измерение f _T ограничено плотностями тока, которые устройство может выдерживать в установившихся условиях.

Рисунок 4

( a ) Измеренные транзитные частоты f _T при различных плотностях тока. f _T до 11,8 МГц достигается при плотности тока 40 А · см ⁻² . Зависимость частота-ток предсказывает f _T в диапазоне 100 МГц, если будет применена плотность тока 1 кА см ^-2 . ( b ) Рабочие характеристики OPBT в цепи генератора Колпитца по переменному току с использованием дискретных компонентов R-L-C (см.Дополнительная информация). Колебания с большой амплитудой до 5,22 МГц близки к идеальному синусу (показаны сплошной линией).

Чтобы продемонстрировать частотные характеристики в реальной цепи, мы собрали модифицированный генератор Колпитца, используя дискретные пассивные элементы R — L — C с OPBT в качестве активного элемента (см. Дополнительную информацию). Как видно на рис. 4b, OPBT демонстрирует стабильные колебания на частотах 1,87 МГц, 3,0 МГц и 5,22 МГц при напряжении питания цепи 4.Применяются 11 В, 7,10 В и 7,37 В соответственно. Сигнал четко выражен с размахом напряжения 4 В, а выходной сигнал имеет синусоидальную форму синусоидального сигнала высокого качества. Колебания 1,87 МГц при 951 мкА и 3,00 МГц при 3,2 мА очень близки к соответствующему значению f _T , показанному на рис. 4а, то есть 1,6 МГц и 3,4 МГц соответственно. Однако колебания на частоте 5,22 МГц возможны только при более высоком токе 20 мА, когда частота передачи составляет примерно 10 МГц. Это ограничение может быть наложено значительным сопротивлением основного электрода, т.е.е. внутренняя резисторная сеть ведет себя как фильтр на высоких частотах (см. дополнительную информацию).

Ваш гид по дискретным полупроводникам

Многие типы полупроводников продаются как часть схем, часто на ИС. Эти схемы обычно способны выполнять любую из множества различных функций в устройстве, что существенно отличает их от дискретных полупроводников.

Дискретный полупроводник выполняет основную функцию, которую нельзя разделить на другие функции.ИС, например, может иметь транзистор, диод и другие компоненты, которые могут выполнять разные функции сами по себе или, работая вместе как схема, могут выполнять несколько функций вместе. Дискретный полупроводник, наоборот, может выполнять только одну функцию. Например, транзистор всегда является транзистором и может выполнять только функции, связанные с транзистором.

В современном мире большинство полупроводников приобретается как часть интегральных схем. Однако для некоторых приложений дискретный полупроводник обеспечивает наилучшее возможное решение для инженерных нужд, и, следовательно, дискретные полупроводники играют важную роль на рынке электронных компонентов.

Поскольку это дискретные устройства, некоторые из них необходимо покупать вместе с другими устройствами для достижения желаемой функциональности, для которой они предназначены в любой данной цепи. Полупроводниковые устройства выполняют самые разные функции — от регулирования мощности до работы в качестве переключателей и многого другого. Для некоторых инженерных нужд возможность приобретения дискретных полупроводников делает создание прототипов и производство доступным.

Какие типы дискретных полупроводников существуют?

Дискретные полупроводники — основная часть электротехники, и существует множество различных типов.Эти полупроводники в большинстве случаев недорогие.

Биполярные транзисторы: Эти устройства часто включаются в аналоговые схемы. Их называют биполярными, потому что у них есть носители, использующие как отрицательные, так и положительные заряды. В полупроводниках это означает, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки. Биполярные транзисторы довольно часто используются в интегральных схемах, но они также продаются в виде дискретных блоков большинством розничных продавцов.

Мостовые выпрямители: Мостовой выпрямитель состоит из диодов, которые расположены в определенной конфигурации: одноименный мост. Этот мост может преобразовывать входной переменный ток в постоянный, что является основной функцией большинства электронных устройств. Эти устройства работают с двухпроводным входом переменного тока, имеют в своей конструкции два диодных выпрямителя и предлагают двухполупериодное выпрямление.

Поскольку это дискретные устройства, некоторые из них необходимо покупать вместе с другими устройствами для достижения желаемой функциональности, для которой они предназначены в любой данной цепи.Полупроводниковые устройства выполняют самые разные функции — от регулирования мощности до работы в качестве переключателей и многого другого. Для некоторых инженерных нужд возможность приобретения дискретных полупроводников делает создание прототипов и производство доступным.

Диоды постоянного тока: Диоды постоянного тока отличаются от других тем, что они регулируют ток, а не напряжение. Ток, проходящий через эти диоды, достигает определенного предела, а затем поддерживается на этом уровне диодом.Они известны под несколькими разными названиями, включая токорегулирующие диоды (CRD), токоограничивающие диоды (CLD) и транзисторы с диодным соединением.

Транзисторы Дарлингтона: Транзисторы Дарлингтона Транзисторы Дарлингтона по сути представляют собой два транзистора в одном. Они оба усиливают получаемый ими ток. Первый транзистор усиливает ток до определенного уровня, а второй усиливает его еще больше. Эти детали часто используются для экономии места, учитывая, что транзистор Дарлингтона занимает меньше места на плате, чем два транзистора, которые были соединены как отдельные блоки.Это дискретные компоненты, которые фактически заменяют два других дискретных компонента.

DIAC: DIAC чаще всего используются в качестве триггеров для тиристоров. Они также используются для запуска TRIAC. Это сами тиристоры, которые отличаются от большинства из них отсутствием электрода затвора.

Цифровые транзисторы: Цифровой транзистор имеет только два возможных состояния в цепи. Он может работать как полностью включенный, что называется насыщением, или может работать как полностью выключенный, что называется отсечкой.

Двойные триодные клапаны: Двойные триодные клапаны — это тип вакуумной лампы, которая используется в радиоприемниках. Эти клапаны включают в себя триод, обеспечивающий усиление. Два диода, включенные в конструкцию, используются в одном случае для выпрямителя, а в другом — в качестве детектора.

Биполярные транзисторы с эмиттерной коммутацией: Биполярный транзистор с эмиттерной коммутацией на самом деле представляет собой два транзистора в одном.Конструкция позволяет компоненту блокировать большие напряжения и работать с очень высокой скоростью.

Модули управления цепью зажигания : Модули управления цепью зажигания обеспечивают управление фазой в схеме. Обычно их оценивают по количеству усилителей, с которыми они могут справиться.

HEMT-транзисторы: Они обычно встраиваются в электронные устройства, такие как сотовые телефоны, радарное оборудование и другое оборудование, которое должно работать с очень высокой скоростью.Транзисторы HEMT быстрее обычных транзисторов. Это полевые транзисторы, функционирующие благодаря сочетанию различных материалов, используемых при производстве.

Транзисторные модули IGBT: транзисторные модули IGBT легко встраиваются в схему и позволяют использовать возможности быстрого переключения транзисторов IGBT в устройствах. Это очень высокоэффективные устройства, которые также во многом способствовали миниатюризации электронных устройств, которая стала возможной за последние десятилетия.

JFET-транзисторы: JFET обозначает полевой транзистор с затворным соединением. Они часто используются в коммутационных устройствах, хотя их также можно использовать для обеспечения сопротивления, зависящего от напряжения. Они имеют выводы истока и стока и могут либо добавлять сопротивление электрическому току, либо, если они используются другим способом, полностью отключать электрический ток

MOSFET-транзисторы : MOSFET-транзисторы являются наиболее распространенными транзисторами.Их использование охватывает как аналоговые, так и цифровые схемы. Это полевые транзисторы с четырьмя выводами, хотя чаще всего подключаются три вывода. Во многих случаях внутри устройства замыкаются две клеммы. Такое расположение на самом деле настолько распространено, что эти устройства появляются с тремя выводами на электрических схемах. Устройства включают в себя клеммы корпуса, стока, затвора и истока.

Пентодные клапаны: Как следует из названия, пентодный клапан имеет пять электродов, встроенных в его конструкцию.Большинство этих устройств представляют собой конструкции с электронными лампами, которые имеют три решетки усиления. Дизайн очень старый, он был впервые разработан в 1920-х годах. Сегодня эти устройства часто используются в промышленных условиях, где важна высокая мощность.

PIN-диоды: PIN-диоды часто встречаются в высоковольтных приложениях и в приложениях, где требуется быстрое переключение. Они отличаются от других диодов наличием собственного полупроводникового слоя, зажатого между полупроводниковыми слоями p-типа и n-типа.

Выпрямитель и диоды Шоттки: Диоды Шоттки характеризуются возможностью очень быстрого переключения и низким прямым падением напряжения. Эти диоды имеют много общего с детекторами кошачьих усов, и, фактически, эти устройства можно рассматривать как ранние версии этих типов диодов. Низкое падение напряжения этих диодов позволяет использовать их в приложениях с очень быстрым переключением.

SIDAC: SIDAC похож на DIAC, но способен выдерживать более высокие токи и имеет более высокое напряжение отключения.Аббревиатура означает «Силиконовый диод для переменного тока». Это разновидность тиристора. Когда напряжение, приложенное к этим устройствам, достигает или превышает перенапряжение разрыва, непроводящий характер устройства изменяется, и оно становится проводящим. Когда ток, подаваемый на устройство, падает ниже тока удержания, он возвращается в непроводящее состояние.

Диоды переключения: Диоды переключения имеют высокое электрическое сопротивление, когда приложенное к ним напряжение ниже напряжения, для которого они указаны.Когда напряжение повышается до уровня выше указанного, сопротивление падает. Это позволяет им функционировать как переключатель.

Тиристорные модули: Тиристорные модули — это те же устройства, что и выпрямители с кремниевым управлением. Эти устройства функционируют как переключатель. Когда вентиль на устройстве получает импульс тока, он переключается в состояние и по состоянию. Он будет оставаться в состоянии «включено» до тех пор, пока напряжение не изменится на противоположное. Эти устройства состоят из четырех слоев полупроводникового материала с чередующимися слоями полупроводников p- и n-типа внутри них.

Тиристорные контроллеры мощности в сборе: Тиристорные контроллеры мощности используются в качестве триггерных контроллеров, которые могут обеспечить некоторую защиту цифровых схем. Если выходное напряжение поднимается выше заданного уровня, тиристор может размыкать цепь, защищая компоненты.

Тиристорные триггерные модули: Тиристорные триггерные модули обеспечивают средство, с помощью которого запускается тиристор, что позволяет использовать их для коммутации и других приложений.Их можно выбрать на основании нескольких различных критериев, включая то, предназначены ли они для работы с большими токами или в высокоиндуктивных цепях.

Тиристоры: Внутри любого тиристора находятся четыре слоя полупроводникового материала, которые состоят из чередующихся слоев полупроводников n- и p-типа. Эти устройства работают как переключатели. Когда достигается определенное количество тока, устройство начинает проводить и будет продолжать это делать, если напряжение на компоненте не изменится на противоположное.Они часто используются в качестве контроллеров мощности.

TRIAC: TRIAC функционируют как электронные переключатели, будучи двунаправленными и, следовательно, позволяя току проходить через них в любом направлении. Эти устройства имеют функциональность, аналогичную паре выпрямителей с силиконовым управлением в обратной параллельной конфигурации и соединенных вместе на каждом из вентилей выпрямителя.

TVS-диоды: UJT-транзисторы (однопереходные) имеют три вывода, но только один переход.В них используются полупроводники n-типа на базе и p-типа на эмиттере. Транзисторы UJT раньше использовались в генераторах, особенно любителями. Сегодня они обычно используются для запуска тиристоров.

Варакторные диоды: Эти устройства также известны как варикап-диоды, диоды переменной емкости и настроечные диоды. Устройства используются как конденсаторы, которые управляются приложенным к ним напряжением. Варактерные диоды обычно используются в телевизорах, сотовых телефонах и других устройствах, которые используют FM-передатчики или принимают FM-передачи.Эти устройства изменяют свою емкость при увеличении или уменьшении приложенного к ним напряжения.

Стабилитроны: Стабилитроны обычно используются там, где они обеспечивают ограничивающий фактор по напряжению, защиту от слишком высокого напряжения в цепи или источник опорного напряжения. Это очень распространенные компоненты в электронных устройствах.