Транзистор биполярный – Биполярные транзисторы – это… Что такое Биполярные транзисторы?

Содержание

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами и тремя выводами. Таким образом, в биполярном транзисторе используются одновременно два типа носителей зарядов – электроны и дырки (отсюда и название – биполярный).

Биполярный транзистор содержит два р-n-перехода, образованных тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы р-n-р- и n-р-n-типа. На рис. 10.0, 6, 7. показаны условные графические обозначения биполярного транзистора.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух р-n-переходов. Это взаимодействие обеспечивается тем, что толщину b средней области транзистора (базы), разделяющей переходы, выбирают меньше длины свободного пробега (диффузионной длины) L носителей заряда в этой области (обычно b<< L).

 

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора n-р-n-типа, для которого концентрация основных носителей в n-области существенно выше, чем в р-области. Для данной структуры (рис. 10.6) n-область, которая будет инжектировать электроны в соседнюю р-область, (левую n-область) называют эмиттером, правую n-область, которая в дальнейшем должна экстрактировать находящиеся в соседней р-области электроны, называют коллектором, а среднюю область – базой. Соответственно примыкающий к эмиттеру р-n-переход (П1) называют эмиттерным, а примыкающий к коллектору (П2) – коллекторным. Металлические выводы, привариваемые или припаиваемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами.

Приложим к эмиттерному переходу прямое (UБЭ), а к коллекторному – обратное напряжение (UКБ). В результате через эмиттерный переход П1 в область базы будут инжектировать электроны (инжекцией дырок из области базы в эмиттерную

Рис. 10.6. Схема распределения токов в транзисторе n-p-n-типа

 

область пренебрегаем), образуя эмиттерный ток транзистора IЭ. Поток электронов, обеспечивающий ток IЭ через переход П1 показан на рис. 10.6 широкой стрелкой.

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя ток базы I’Б (см. рис. 10.6). Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода (П2) с помощью электрического поля, создаваемого напряжением UКБ, экстрактируется в коллектор, образуя через переход П2 коллекторный ток I’К. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход (а следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

(10.3)

где α=0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток IКБ0, образованный потоком из n- в p-область неосновных для коллекторной области носителей заряда – дырок, который совместно с током I’К, образует выходной ток транзистора

, (10.4)

и ток в базовом выводе

(10.5)

С учетом (10.3) равенство (10.4) примет вид

(10.6)

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа и, как видно из рис. 10.6, представляет собой базовый ток

(10.7)

Из (10.6) и (10.7) получаем

(10.8)

где β=α/(1-α) – коэффициент передачи базового тока.

Учитывая приведенные ранее значения, становится очевидным, что β>>1. Из выражений (10.6) и (10.8) следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного тока зависит от значений токов эмиттера и базы. При этом значение тока коллектора существенно зависит от эффективности взаимодействия двух р-n-переходов, которое, в свою очередь, обеспечивается соотношением b<<L, позволяющим уменьшить рекомбинацию инжектированных в область базы носителей заряда.

Уменьшению рекомбинации инжектированных в область базы носителей заряда, (а следовательно, повышению эффективности взаимодействия двух р-n-переходов) способствует также значительно меньшая концентрация основных носителей заряда в области базы по сравнению с концентрацией их в эмиттерной области. Если концентрация примесей по всему объему базового слоя одинакова, т. е. база однородна, то движение носителей заряда в ней (при отсутствии приложенного к транзистору внешнего напряжения) носит чисто диффузионный характер. Если же база неоднородна, то за счет образовавшегося в ней внутреннего электрического поля движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом носителей заряда в этом поле. Транзисторы с однородной базой называются диффузионными, а с неоднородной – дрейфовыми. Последние обладают лучшими частотными свойствами и получили наибольшее распространение.

Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (несколько МОм). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями, не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность.

С другой стороны, малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольт) и большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода, составляющее десятки вольт) указывают на то, что этот управляемый нелинейный элемент может применяться для усиления напряжения.

В зависимости от напряжений , приложенных к переходам биполярного транзистора, существует

четыре режима его работы:

 

1) Активный (Рис. 10.7, а) (на эмитерный переход подано прямое напряжение, на коллекторный – обратное). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

 

2) Инверсный (Рис. 10.7, б) (на эмитерный переход подано обратное напряжение, на коллекторный – прямое). Этот режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой в нормальном режиме и поэтому на практике применяется редко.

 

3) Насыщения (Рис. 10.7, в) (оба перехода находятся под прямым напряжением). Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

 

4) Отсечки (Рис. 10.7, г) (оба перехода находятся под обратными напряжениями). Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

 

a) б) в) г)

Рис. 10.7. Режимы работы биполярного транзистора: а – активный режим, б – инверсный режим, в – режим насыщения, г -режим отсечки

 

Схемы включения и основные параметры. Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. У линейного четырехполюсника связь между входными и выходными токами и напряжениями выражается системой двух линейных уравнений. В электронике наибольшее распространение получила система h- параметров четырехполюсника, выражаемая уравнениями:

 

 

В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схема, приведенная на рис. 10.6, представляет собой схему включения транзистopa с ОБ.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются:

коэффициент усиления по току

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по мощности

входное сопротивление

выходное сопротивление

Выполнив расчет указанных параметров транзистора для каждый из схем его включения, получают значения, представленные в табл. 10.2. В табл. 10.2 под величиной RвхБ следует понимать входное сопротивление транзистора для схемы с ОБ.

Таблица 10.2 Схемы включения транзисторов

Анализ данных, приведенных в табл. 10.2, свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ, обеспечивающей усиление транзистора, как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора.

Высокие значения β обусловливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током базы) управлять существенно большими токами (током коллектора) в выходной (нагрузочной) цепи.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора n-р-n-типа для схемы включения с ОЭ приведены на рис. 10.7. Очевидно, что они имеют явно выраженный нелинейный характер. При этом входная ВАХ (рис. 10.7, а) подобна прямой ветви ВАХ диода, а выходная (рис. 10.7, б) характеризуется вначале резким возрастанием выходного тока IК при возрастании выходного напряжения UКЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока. Переход значений выходного тока на пологий участок соответствует режиму насыщения транзистора, когда оба перехода открыты (UБЭ>0; UКЭ>0).

Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзистор.

Рис. 10.8. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора n-p-n-типа, включенного по схеме с ОЭ

 

Выпускаемые промышленностью дискретные биполярные транзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свойствам.

По мощности они подразделяются на маломощные (P

вых< 3 Вт), средней мощности (0,3 Вт<Pвых<1,5 Вт) и мощные (Pвых>1,5 Вт). По частотным свойствам – на низкочастотные (fα>0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц< fα <3 МГц), высокой частоты (3 МГц< fα <30 МГц) и сверхвысокой частоты (fα >30 МГц). fα – предельная частота усиления транзистора по току в схеме ОБ, при которой модуль коэффициента передачи эмиттерного тока |α| уменьшается в корень из двух раз относительно значения, измеренного на низкой частоте.


Похожие статьи:

poznayka.org

принцип работы и как проверить

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото – мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото – конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото – виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

  1. Высокочастотные;
  2. Низкочастотные.

По мощности на:

  1. Маломощные;
  2. Средней мощности;
  3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото – пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

  1. Активный режим;
  2. Отсечка;
  3. Двойной или насыщения;
  4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора – минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото – цоколевка маломощных биполярных триодовФото – цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото – примеры цветовой маркировкиФото – таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото – расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

  1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
  2. Входящее напряжение;
  3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

  • Ucc – напряжение сети;
  • Uкэнас – насыщение;
  • Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

www.asutpp.ru

Биполярные транзисторы – это… Что такое Биполярные транзисторы?

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передает ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

  • Нормальный активный режим;
  • Инверсный активный режим;
  • Режим насыщения;
  • Режим отсечки;

Нормальный активный режим

Переход эмиттер — база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор — база — в обратном (закрыт)

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Схемы включения

Схема включения с общей базой

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

Для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

  • входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой :

  • Схема не усиливает ток, так как α < 1
  • Малое входное сопротивление
  • Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства:

  • Хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером

Iвых=Iк
Iвх=Iб
Uвх=Uбэ
Uвых=Uкэ

Достоинства:

  • Большой коэффициент усиления по току
  • Большое входное сопротивление
  • Можно обойтись одним источником питания

Недостатки:

  • Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема с общим коллектором

Iвых=Iэ
Iвх=Iб
Uвх=Uбк
Uвых=Uкэ

Достоинства:

  • Большое входное сопротивление
  • Малое выходное сопротивление

Недостатки:

  • Не усиливает напряжение

Схему с таким включением также называют «эмиттерным повторителем»

Технология изготовления транзисторов 1

  • Планарно-эпитаксиальная
  • Сплавная
    • Дифузионный
    • Дифузионносплавной

Применение транзисторов

Ссылки и литература

biograf.academic.ru

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Вот мы и подошли к уроку, с которого начинается старт во «взрослую жизнь» т. к. именно с этого урока вы сможете полноценно и с пониманием предметной области начинать паять простейшие конструкции. И для успешной сборки и наладки этих конструкций, очень важно четко понимать какую функцию в этой схеме выполняет тот, или иной радиоэлемент, какие параметры нужно проконтролировать и т. д. 

В большую «семью» полупроводниковых приборов, называемых транзисторами, входят два вида: биполярные и полевые. Первые из них, чтобы как — то отличить их от вторых, часто называют обычными транзисторами. Биполярные транзисторы используются наиболее широко. Именно с них мы пожалуй и начнем. Термин «транзистор» образован из двух английских слов: transfer — преобразователь и resistor — сопротивление. В упрощенном виде биполярный транзистор представляет собой пластину полупроводника с тремя (как в слоеном пироге) чередующимися областями разной электропроводности (рис. 1), которые образуют два р — n перехода. Две крайние области обладают электропроводностью одного типа, средняя — электропроводностью другого типа. У каждой области свой контактный вывод. Если в крайних областях преобладает дырочная электропроводность, а в средней электронная (рис. 1, а), то такой прибор называют транзистором структуры p — n — р. У транзистора структуры n — p — n, наоборот, по краям расположены области с электронной электропроводностью, а между ними — область с дырочной электропроводностью (рис. 1, б).

Рис. 1 Схематическое устройство и графическое обозначение на схемах транзисторов структуры p — n — p и n — p — n.

Если мысленно прикрыть любую из крайних областей транзисторов, изображенных схематически на (рис.1). Что получилось? Оставшиеся две области есть не что иное, как плоскостной диод. Если прикрыть другую крайнюю область, то тоже получится диод. Значит, транзистор можно представить себе как два плоскостных диода с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. Общую (среднюю) область транзистора называют базой, одну крайнюю область — эмиттером, вторую крайнюю область — коллектором. Это три электрода транзистора. Во время работы транзистора его эмиттер вводит (эмитирует) в базу дырки (в транзисторе структуры p — n — р) или электроны (в транзисторе структуры n — p — n), коллектор собирает эти электрические заряды, вводимые в базу эмиттером. Различие в обозначениях транзисторов разных структур на схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p — n — р транзисторах она обращена в сторону базы, а в n — p — n транзисторах — от базы. Электронно — дырочные переходы в транзисторе могут быть получены так же, как в плоскостных диодах. Например, чтобы изготовить транзистор структуры p — n — р, берут тонкую пластину германия с электронной электропроводностью и наплавляют на ее поверхность кусочки индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в тело пластины, образуя в ней две области типа р — э миттер и коллектор, а между ними остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника типа n — база. Транзисторы, изготовляемые по такой технологии, называют сплавными. Запомни наименования р — n переходов транзистора: между коллектором и базой — коллекторный, между эмиттером и базой — эмиттерный. Схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора показаны на (рис. 2). Прибор собран на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу — ее наружный проволочный вывод. Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проволочкам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Цельнометаллический колпак защищает прибор от механических повреждений и влияния света. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные транзисторы серий МП39, МП40, МП41, МП42 и их разновидности. Буква (М) в обозначении говорит о том, что корпус транзистора холодносварной, буква (П)- первоначальная буква слов «плоскостной», а цифры — порядковые заводские номера приборов. В конце обозначения могут быть буквы А, Б, В (например, МП39Б), указывающие разницу в параметрах транзистора данной серии. Существуют другие способы изготовления транзисторов, например, диффузионно — сплавной (рис. 3). Коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного полупроводника. На поверхность пластины наплавляют очень близко один от другого два маленьких шарика примесных элементов. Во время нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластинку полупроводника. При этом один шарик (на рис. 3 — правый) образует в коллекторе тонкую базовую область, а второй (на рис. 3 — левый) эмиттерную область.

Рис. 2 — Устройство и конструкция сплавного слева и диффузионно — сплавного справа транзистора структуры p — n — p.

В результате в пластине исходного полупроводника получаются два р — n перехода, образующие транзистор структуры р — n — р. По такой технологии изготовляют, в частности, наиболее массовые маломощные высокочастотные транзисторы серий П401-П403, П422, П423, ГТ308. В настоящее время действует система обозначения транзисторов, по которой выпускаемые серийно приборы имеют обозначения, состоящие из четырех элементов, например: ГТ109А, КТ315В, ГТ403И.

  • Первый элемент этой системы обозначения — буква Г, К или А (или цифра 1, 2 и 3) — характеризует полупроводниковый материал транзистора и температурные условия работы прибора. Буква Г (или цифра 1) присваивается германиевым транзисторам, буква К (или цифра 2) — кремниевым транзисторам, буква А (или цифра 3) — транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия. Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах (германиевый — выше 4- 60°С, кремниевый — выше +85°С).
  • Второй элемент — буква Т — начальная буква слова «транзистор».
  • Третий элемент — трехзначное число от 101 до 999 — указывает порядковый номер разработки и назначение прибора. Это число присваивается транзистору по признакам, приведенным в таблице.
  • Четвертый элемент обозначения — буква, указывающая разновидность транзисторов данной серии.

Вот некоторые примеры расшифровки обозначений транзисторов по этой системе : ГТ109А — германиевый маломощный низкочастотный транзистор, разновидность А; ГТ404Г — германиевый средней мощности низкочастотный транзистор, разновидность Г; КТЗ15В — кремниевый маломощный высокочастотный транзистор, разновидность В. Наряду с такой системой продолжает действовать и прежняя система обозначения транзисторов, например П27, П401, П213, МП39 и т.д. Объясняется это тем, что такие или подобные транзисторы были разработаны до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Внешний вид некоторых биполярных транзисторов, наиболее широко используемых радиолюбителями, показан на (рис. 4). Маломощный низкочастотный транзистор ГТ109 (структуры р — n — р) имеет в диаметре всего 3, 4 мм. Транзисторы этой серии предназначены для миниатюрных радиовещательных приемников. Их используют также в слуховых аппаратах, в электронных медицинских приборах т.д. Диаметр транзисторов ГТ309 (р — n — р) 7,4 мм. Такие транзисторы применяют в различных малогабаритных электронных устройствах для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы КТЗ15 (n — p — n) выпускают в пластмассовых корпусах. Эти маломощные транзисторы предназначены для усиления и генерирования колебаний высокой частоты. Транзисторы МП39 — МП42 (р — n — р) — самые массовые среди маломощных низкочастотных транзисторов. Точно так выглядят и аналогичные им, но структуры n — p — n, транзисторы МП35 — МП38. Диаметр корпуса любого из этих транзисторов 11,5 мм. Наиболее широко их используют в усилителях звуковой частоты. Так выглядят и маломощные высокочастотные р — n — р транзисторы серий П401 — П403, П416, П423, используемые для усиления высокочастотных сигналов как в промышленных, так и любительских радиовещательных приемниках. Транзистор ГТ402 (р — n — р) — представитель низкочастотных транзисторов средней мощности. Такую же конструкцию имеет его «близнец» ГТ404, но он структуры (n — p — n). Их, обычно используют в паре, в каскадах усиления мощности колебаний звуковой частоты. Транзистор П213 (германиевый структуры р — n — р) — один из мощных низкочастотных транзисторов, широко используемых в оконечных каскадах усилителей звуковой частоты. Диаметр этого, а также аналогичных ему транзисторов П214 — П216 и некоторых других, 24 мм. Такие транзисторы крепят на шасси или панелях при помощи фланцев. Во время работы они нагреваются, поэтому их обычно ставят на специальные теплоотводящие радиаторы, увеличивающие поверхности охлаждения. КТ904 — сверхвысокочастотный кремниевый n — p — n транзистор большой мощности. Корпус металлокерамический с жесткими выводами и винтом М5, с помощью которого транзистор крепят на теплопроводящем радиаторе. Функцию радиатора может выполнять массивная металлическая пластина или металлическое шасси радиотехнического устройства. Высота транзистора вместе с выводами и крепежным винтом чуть больше 20 мм. Транзисторы этой серии предназначаются для генераторов и усилителей мощности радиоаппаратуры, работающей на частотах выше 100 МГц, например диапазона УКВ.

Рис. 4 Внешний вид некоторых транзисторов.

Очень важно получать информацию с разной подачей. Чтобы закрепить материал, и усвоить все более глубоко, советую вам просмотреть замечательный обучающий фильм:

www.radioingener.ru

Полевые и биполярные транзисторы

Содержание:
  1. Биполярные транзисторы
  2. Свойства полевых транзисторов
  3. Видео

Среди полупроводниковых приборов существуют две большие группы, в состав которых входят полевые и биполярные транзисторы. Они широко используются в электронике и радиотехнике в качестве генераторов, усилителей и преобразователей электрических сигналов. Чтобы понять, в чем основное различие этих устройств, необходимо рассмотреть их более подробно.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы относятся к группе полупроводниковых приборов. Они имеют три вывода и два р-n-перехода. Принцип работы этих устройств позволяет использовать и положительные и отрицательные заряды, то есть, дырки и электроны. Управление током, протекающим через них, осуществляется специально выделенным управляющим током. Благодаря своим качествам, этот активный прибор получил широкое распространение.

Основой биполярных транзисторов являются трехслойные полупроводники, типа «р-n-р» и «n-р-n», а также р-n-переходы, в количестве двух. Каждый полупроводниковый слой соединяется с внешним выводом через невыпрямляющий металло-полупроводниковый контакт.

В качестве базы используется средний слой, подключенный к соответствующему выводу. Два крайних слоя также соединяются с выводами и называются эмиттером и коллектором. На схемах эмиттер обозначается стрелкой, которая показывает направление тока, проходящего через транзистор.

В различных приборах, носители электричества дырки и электроны выполняют собственные индивидуальные функции. Тип n-р-n транзисторов получил наибольшее распространение, по сравнению с р-n-р-типом, благодаря лучшим характеристикам и параметрам. Это связано с тем, что в n-р-n устройствах основная роль отводится электронам, обеспечивающим все электрические процессы. Их подвижность в 2-3 раза выше, чем у дырок, таким образом, они проявляют более высокую активность. Кроме того, свойства любого прибора улучшаются за счет того, что площадь перехода коллектора существенно превышает площадь перехода эмиттера.

В состав каждого биполярного транзистора входят два р-n-перехода. Поэтому, работоспособность таких приборов проверяется путем контроля сопротивления этих переходов во время подключения к ним прямого и обратного напряжения.

Нормальная работа n-р-n-прибора обеспечивается путем подачи на коллектор положительного напряжения. За счет этого, осуществляется открытие базового перехода. При появлении базового тока, возникает коллекторный ток. Если в базе возникает отрицательное напряжение, то в этом случае происходит закрытие транзистора.

Оптимальная работа р-n-р-устройств зависит от наличия на коллекторе отрицательного напряжения. С его помощью, базовый переход становится открытым. Закрытие транзистора производится при наличии положительного напряжения. Путем плавных изменений значений тока и напряжения, можно получить все необходимые выходные коллекторные характеристики. В схемах усилителей могут присутствовать режимы общей базы или общего эмиттера.

Свойства полевых транзисторов

К полевым транзисторам относятся устройства, в которых управление всеми процессами осуществляется действующим электрическим полем, направленным перпендикулярно току. Они еще носят название униполярных транзисторов. В своей конструкции эти приборы имеют три контакта, называемые истоком, стоком и затвором. Кроме этого, существует проводящий слой, называемый каналом, по которому происходит течение тока.

Устройства данного типа могут быть «р» или «n» канальными. Расположение и конфигурация каналов бывает вертикальное или горизонтальное, объемное или приповерхностное.

Среди приповерхностных каналов также происходит разделение. Они существуют в качестве инверсионных слоев или могут быть обогащенными и обедненными носителями. Все виды каналов формируются под влиянием внешнего электрического поля. В обедненных каналах присутствуют участки с однородными полупроводниками, которые отделяются от поверхности с помощью обедненного слоя. Приборы, имеющие приповерхностные каналы, структурно состоят из металла-диэлектрика-полупроводника. Они получили наименование МДП-транзисторов.

electric-220.ru

ТРАНЗИСТОР БИПОЛЯРНЫЙ – это… Что такое ТРАНЗИСТОР БИПОЛЯРНЫЙ?

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

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


Рис. 2. Структура биполярного транзистора р пp -типа; I -эмиттерный р-n -переход; 2 – коллекторный р- n -переход.


Рис. 3. Схема включения транзистора.

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

dic.academic.ru

Биполярный транзистор — Традиция

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Файл:Npnpnp.png

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора[править]

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они – неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) = (10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Характеристики транзистора как четырёхполюсника. Схемы включения с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором[править]

Схема включения с общей базой[править]

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

Для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

  • входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой:

  • Схема не усиливает ток, так как α < 1
  • Малое входное сопротивление
  • Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства:

  • Хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером[править]

Iвых=Iк Iвх=Iб Uвх=Uбэ Uвых=Uкэ

Достоинства:

  • Большой коэффициент усиления по току
  • Бо́льшее входное сопротивление
  • Можно обойтись одним источником питания

Недостатки:

  • Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема с общим коллектором[править]

Iвых=Iэ Iвх=Iб Uвх=Uбкз Uвых=Uкэ

Достоинства:

  • Большое входное сопротивление

Недостатки:

  • Не усиливает напряжение

Схему с таким включением также называют «эмитерным повторителем»

Схемы включения биполярного транзистора

В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором(ОК). На рис. 3.3 показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие активному режиму в указанных схемах включения транзистора. Следует отметить, что токи транзистора обозначаются одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого протекает данный ток, а напряжения между электродами обозначаются двумя индексами, причем вторым указывается индекс, соответствующий названию общего электрода (см. рис. 3.3). В схеме с общей базой (см. рис. 3.3,а)

входной цепью является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение uЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение uКБ – к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (uЭБ<0; uКБ>0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. В схеме с общим эмиттером (см. рис. 3.3,б) входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. В схеме ОЭ напряжение uБЭ>0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. Напряжение uКЭ распределяется между обоими переходами: uКЭ = uКБ + uБЭ . Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо uКБ = uКЭ – uБЭ > 0 , что обеспечивается при uКЭ > uБЭ > 0. В схеме с общим коллектором (см. рис.3.3,в) входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

Принцип работы биполярного транзистора

Рассмотрим в первом приближении физические процессы, протекающие в транзисторе в активном режиме, и постараемся оценить, каким образом эти процессы позволяют усиливать электрические сигналы.

Для простоты анализа будем использовать плоскую одномерную модель транзистора, представленную на рис. 3.4. Эта модель предполагает, что p-n- переходы транзистора являются плоскими, и все физические величины в структуре, в частности, концентрации носителей заряда, зависят только от одной продольной координаты x , что соответствует бесконечным поперечным размерам структуры. С учетом того, что в реальной структуре транзистора (см. рис. 3.1) ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе. Рассмотрим вначале статическую ситуацию, при которой на переходы транзистора от внешних источников питания подаются постоянные напряжения uЭБ и uКБ – см. рис. 3.4. Заметим, что приведенный на рисунке транзистор включен по схеме с общей базой. Напряжения uЭБ <0 и uКБ >0 обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. Через открытый эмиттерный переход протекают основные носители заряда. Как уже отмечалось в п. 3.1, из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода инжекцию через него можно считать односторонней, то есть достаточно рассматривать только поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу – см. рис. 3.4. Этот поток очень сильно зависит от напряжения на эмиттерном переходе uЭБ, экспоненциально возрастая с увеличением ч uЭБч . Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через базу к коллекторному переходу, частично рекомбинируя с основными носителями – дырками. Достигнувшие коллекторного перехода электроны экстрагируются полем закрытого коллекторного перехода в коллектор. В связи с тем, что в коллекторном переходе отсутствует потенциальный барьер для электронов, движущихся из базы в коллектор, этот поток в первом приближении не зависит от напряжения на коллекторном переходе uКБ. Таким образом, в активном режиме всю структуру транзистора от эмиттера до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях эмиттера и коллектора токи iЭ и iК , направленные навстречу движению электронов. Важно подчеркнуть, что этот поток электронов и, соответственно, ток коллектора iК, являющийся выходным током транзистора, очень эффективно управляются входным напряжением uЭБ и не зависят от выходного напряжения uКБ. Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов.

Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ, приведена на рис. 3.5. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 3.4, в эмиттерную цепь введен источник переменного напря жения uЭБ- , а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор RК. Переменное напряжение uЭБ- наряду с напряжением, подаваемым от источника питания, воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую iК– , которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине uЭБ- . При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую uКБ- = iК– RК. Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении RК может значительно превосходить величину входного переменного напряжения uЭБ- (uКБ- >>uЭБ- ). Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу ( iЭ » iК ).

3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе

Сущность физических процессов, протекающих в транзисторе, таких, как инжекция, экстракция, диффузия, рекомбинация, рассмотрена выше (см. разд. 1 и 2 ). Вместе с тем, в транзисторе проявления этих эффектов имеют определенную специфику, связанную, в первую очередь, с взаимодействием переходов. В этой связи рассмотрим процессы, протекающие в транзисторе применительно к каждому из режимов его работы.

Активному режиму работы транзистора, иногда называемому также нормальным активным режимом, соответствуют открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода. На рис. 3.6 приведена структура транзистора и показаны потоки носителей заряда в активном режиме. Поскольку основные физические процессы, определяющие протекание в структуре сквозного потока электронов, достаточно подробно описаны в п. 3.1, остановимся лишь на тех моментах, которые были опущены при рассмотрении работы транзистора в первом приближении. Прежде всего, отметим тот факт, что в активном режиме переходы транзистора имеют различную ширину: запертый коллекторный переход значительно шире открытого эмиттерного перехода. На рис. 3.6, наряду с показанным на рис. 3.4 сквозным потоком электронов, показаны и другие потоки носителей, протекающие в структуре в активном режиме. В частности, показан встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Два направленных навстречу друг другу потока (электронов и дырок) отражают эффект рекомбинации в базе. Электронный поток создается электронами, которые инжектируются из эмиттера, но не доходят до коллекторного перехода (как электроны, создающие сквозной поток), а рекомбинируют с дырками в базе. Дырочный поток создается дырками, поступающими из внешней цепи в базу для восполнения потери дырок из-за их рекомбинации с электронами. Указанные потоки создают во внешних цепях эмиттера и базы дополнительные составляющие токов. На рис. 3.6 также показаны потоки неосновных носителей заряда, создающие собственный тепловой ток обратносмещенного коллекторного перехода (поток электронов, движущихся из базы в коллектор, и поток дырок, движущихся из коллектора в базу). Каждый из рассмотренных на рис. 3.6 потоков вносит свой вклад в токи, протекающие во внешних цепях эмиттера, коллектора и базы. При этом следует подчеркнуть, что сквозной поток электронов является единственным полезным потоком носителей в транзисторе, поскольку определяет возможность усиления электрических сигналов. Все остальные потоки в усилении сигнала не участвуют, и поэтому являются побочными. Для того, чтобы транзистор имел высокие усилительные свойства, необходимо, чтобы побочные потоки были как можно слабее по сравнению с сильным полезным сквозным потоком. Завершая рассмотрение активного режима, отметим, что основной вклад в ток базы вносит рекомбинационная составляющая. Равная ей рекомбинационная составляющая тока эмиттера определяет его отличие от тока коллектора, создаваемого практически исключительно сквозным потоком электронов. С учетом того, что база транзистора делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и iБ<< iЭ, а iЭ » iК.

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы транзистора аналогичен активному режиму с той лишь разницей, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом – эмиттерный переход. В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется.

В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. На рис. 3.7 приведена структура транзистора и показаны потоки носителей, протекающие в режиме насыщения. Как видно из рисунка, в этом режиме и эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в результате чего в структуре протекают два встречных сквозных потока электронов (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора. Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными электронами, из-за чего усиливается их рекомбинация с дырками, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. Следует также отметить, что в связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми. Учитывая то, что в режиме насыщения напряжение между электродами транзистора составляет всего несколько десятых долей вольта, часто считают, что в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

В режиме отсечки оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии. Структура транзистора и потоки носителей в режиме отсечки приведены на рис. 3.8. Как видно из рисунка, сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающие малые и неуправляемые тепловые токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи. Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзисторов в импульсных (ключевых) схемах.

3.3 Расчет токов биполярного транзистора

Основные допущения идеализированной теории биполярных транзисторов

Для построения идеализированной модели биполярного транзистора будем считать, что его структура разбивается на области пространственного заряда ( обедненные области эмиттерного и коллекторного переходов) и квазинейтральные области эмиттера, базы и коллектора, в которых выполняется условие D n» D p. Кроме того, примем обычные допущения идеализированной теории n-p-перехода:

1. Области пространственного заряда практически не содержат подвижных носителей заряда и имеют резкие границы с квазинейтральными областями эмиттера, базы и коллектора.

2. Объемные сопротивления эмиттера, базы и коллектора близки к нулю и внешние напряжения приложены непосредственно к эмиттерному и коллекторному переходам.

3. На краях областей пространственного заряда (на границах переходов) справедливы граничные уравнения, связывающие концентрации носителей заряда с напряжениями, приложенными к переходам.

4. В областях эмиттера, базы и коллектора имеет место низкий уровень инжекции неосновных носителей заряда.

Технология изготовления транзисторов[править]

Ссылки и литература[править]

traditio.wiki

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о