Как работает биполярный транзистор. Биполярные транзисторы: принцип работы, характеристики и применение

Как устроен биполярный транзистор. Какие бывают типы биполярных транзисторов. Как работает биполярный транзистор. Каковы основные параметры и характеристики биполярных транзисторов. Где применяются биполярные транзисторы.

Что такое биполярный транзистор

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с тремя выводами, который может усиливать и переключать электрические сигналы. Он состоит из трех областей полупроводникового материала с чередующимся типом проводимости:

• Эмиттер (E) — сильнолегированная область, являющаяся источником носителей заряда
• База (B) — тонкая слаболегированная область
• Коллектор (C) — область, собирающая носители заряда из эмиттера

В зависимости от типа проводимости областей различают два типа биполярных транзисторов:

• npn-транзисторы (n-эмиттер, p-база, n-коллектор)
• pnp-транзисторы (p-эмиттер, n-база, p-коллектор)

Принцип работы биполярного транзистора

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух близко расположенных p-n переходов. Рассмотрим принцип работы npn-транзистора:

1. При подаче небольшого прямого напряжения на переход эмиттер-база, электроны инжектируются из эмиттера в базу
2. Большая часть электронов проходит через тонкую базу в область коллектора
3. Обратное напряжение на переходе коллектор-база создает электрическое поле, ускоряющее электроны к коллектору
4. В результате небольшой ток базы управляет значительно большим током коллектора

Таким образом, транзистор усиливает входной сигнал тока базы. Коэффициент усиления по току β показывает, во сколько раз ток коллектора больше тока базы:

β = Iк / Iб

Основные параметры биполярных транзисторов

Ключевыми характеристиками биполярных транзисторов являются:

• Коэффициент усиления по току β (h21э) — отношение тока коллектора к току базы
• Граничная частота fT — частота, на которой коэффициент усиления падает до единицы
• Максимальная рассеиваемая мощность коллектора Pк max
• Максимально допустимые напряжения Uкэ max, Uкб max, Uэб max
• Максимально допустимый ток коллектора Iк max
• Коэффициент шума Kш

Режимы работы биполярного транзистора

Выделяют три основных режима работы биполярного транзистора:

1. Активный режим — переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном. Используется для усиления сигналов.
2. Режим отсечки — оба перехода смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт, ток через него не течет.
3. Режим насыщения — оба перехода смещены в прямом направлении. Транзистор полностью открыт.

Применение биполярных транзисторов

Благодаря своим свойствам биполярные транзисторы нашли широкое применение в электронике:

• Усилители аналоговых сигналов
• Генераторы электрических колебаний
• Ключевые и импульсные схемы
• Стабилизаторы напряжения
• Преобразователи сигналов
• Логические элементы цифровых схем

Несмотря на конкуренцию со стороны полевых транзисторов, биполярные транзисторы по-прежнему широко используются благодаря высокой скорости переключения и хорошим усилительным свойствам.

Преимущества и недостатки биполярных транзисторов

Рассмотрим основные достоинства и ограничения биполярных транзисторов:

Преимущества:

• Высокий коэффициент усиления по току
• Высокая скорость переключения
• Низкий уровень собственных шумов
• Хорошая температурная стабильность
• Способность работать при высоких частотах

Недостатки:

• Относительно большой входной ток базы
• Сложность согласования с высокоомными цепями
• Зависимость параметров от температуры
• Чувствительность к статическому электричеству

Ключевые схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

1. С общим эмиттером (ОЭ) — обеспечивает усиление по току, напряжению и мощности. Самая распространенная схема.
2. С общей базой (ОБ) — дает усиление по напряжению, но ослабление по току. Используется на высоких частотах.
3. С общим коллектором (ОК) — обеспечивает усиление по току, но не по напряжению. Имеет высокое входное и низкое выходное сопротивление.

Выбор схемы включения зависит от требований к усилению, входному/выходному сопротивлению и частотным свойствам схемы.

Частотные свойства биполярных транзисторов

Частотные характеристики биполярных транзисторов определяются следующими факторами:

• Емкость коллекторного перехода
• Емкость эмиттерного перехода
• Время пролета носителей через базу
• Сопротивление базы

Основным параметром, характеризующим быстродействие транзистора, является граничная частота fT. Она показывает частоту, на которой коэффициент усиления по току падает до единицы.

Для современных кремниевых биполярных транзисторов граничная частота может достигать десятков ГГц, а для транзисторов на основе арсенида галлия — сотен ГГц.

энциклопедия киповца

Биполярный транзистор — это усилительный полупроводниковый прибор, состоящий из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости (n-p-n или p-n-p), которые образуют два взаимосвязанных p-n перехода.

Средний слой биполярного транзистора называется базой, а крайние — эмиттером и коллектором. При изготовлении транзистора эмиттер легируют более сильно, чем коллектор (содержание примесей в эмиттере выше, чем в коллекторе), чтобы содержание свободных носителей заряда в эмиттере было выше.

Обозначение:

Направление стрелки эмиттера показывает направление тока в транзисторе (у p-n-p транзистора основным переносчиком заряда служат положительно заряженные дырки, поэтому направление тока совпадает с направлением движения зарядов, а у n-p-n транзистора основным переносчиком заряда служат электроны, поэтому направление тока противоположно движению зарядов).

Рассмотрим работу биполярного транзистора на примере транзистора n-p-n типа.

Если приложить к базе положительное, относительно эмиттера напряжение, то эмиттерный p-n переход будет включен в прямом направлении и электроны начнут дрейфовать из эмиттера в базу (потечет ток). Если к коллектору приложено положительное, относительно базы напряжение, то к коллекторному p-n переходу будет приложено обратное напряжение и электрическое поле коллектора будет выталкивать из этого p-n перехода все электроны в сторону коллектора. Но база транзистора очень тонкая, поэтому обе области p-n перехода пересекаются, из-за чего большинство электронов, прошедших в базу из эмиттера захватываются полем коллектора и уносятся к коллектору. В базе остаются и рекомбинируют с дырками лишь незначительное число электронов, т.

е. ток базы получается во много раз меньше тока коллектора.

Получается, что ток эмиттера разделяется на ток базы и ток коллектора, причем ток коллектора во много раз больше тока базы.

I_э=I_к+I_б

Если каким-либо образом незначительно изменять ток базы, то ток коллектора будет изменяться очень сильно. Благодаря этому свойству транзистор можно использовать как усилительный элемент.

Коэффициент, который показывает — во сколько раз изменится ток коллектора при изменении тока базы называется коэффициентом усиления тока базы и для каждого транзистора является постоянной величиной. 

коэффициент усиления тока базы: b=DI_к/DI_б»I_к/I_б

На практике пользуются также коэффициентом передачи эмиттерного тока, который равен отношению тока коллектора к току эмиттера.

коэффициент передачи эмиттерного тока: a=DI_к/DI_э»I_к/I_э

Коэффициент усиления тока базы и коэффициент передачи эмиттерного тока связаны между собой:

Учитывая, что I_э=I_к+I_б, можно записать a=I_к/(I_к+I_б)=bI_б/(bI_б+I_б)=b/(b+1)

Существуют 3 схемы включения транзисторов:

1) схема с общей базой

2) схема с общим эмиттером

3) схема с общим коллектором

Введение в биполярные транзисторы (BJT)

Добавлено 29 августа 2017 в 19:10

Изобретение биполярного транзистора (БТ, BJT) в 1948 году привело к революции в электронике. Технические трюки, ранее требующие относительно больших, механически хрупких, потребляющих много энергии вакуумных ламп, неожиданно достигались с помощью крошечных, механически прочных, потребляющих мало энергии частиц кристаллического кремния. Эта революция позволила разработать и изготовить легкие, недорогие электронные устройства, которые мы сейчас считаем само собой разумеющимися. Понимание того, как работают транзисторы, имеет первостепенное значение для всех, кто интересуется электроникой.

Я собираюсь максимально сосредоточиться на практических назначении и применении биполярных транзисторов, а не исследовать квантовый мир теории полупроводников. Обсуждение электронов и дырок, по-моему, лучше оставить для другой главы. Здесь я хочу выяснить, как использовать эти компоненты, а не анализировать их внутренние детали. Я не хочу умалять важность понимания физики полупроводников, но иногда интенсивное фокусирование на физике твердотельных приборов умаляет понимание функций этих приборов на уровне компонентов. Однако, используя этот подход, я полагаю, что читатель обладает определенными минимальными знаниями о полупроводниках: о разнице между легированными «P» и «N» полупроводниками, о функциональных характеристиках PN (диодного) перехода, о значениях терминов «обратное смещение» и «прямое смещение». Если эти понятия вам не совсем ясны, то прежде, чем приступить к этой главе, лучше обратиться к предыдущим главам этой книги.

Биполярный транзистор состоит из трехслойного «сэндвича» из легированных полупроводниковых материалов, либо P-N-P на рисунке ниже (b), либо N-P-N на рисунке ниже (d). Каждый слой, образующий транзистор, имеет определенное название, и каждый слой снабжен проводным контактом для подключения к внешней схеме. Условные графические обозначения показаны на рисунке ниже (a) и (c).

Биполярный транзистор (БТ, BJT): PNP (a) условное обозначение и (b) физический макет, NPN (c) условное обозначение и (d) физический макет

Функциональной разницей между PNP транзистором и NPN транзистором является правильность (полярность) смещения перехода во время работы. Для любого заданного режима работы направления токов и полярности напряжений для каждого типа транзисторов находятся в точности противоположно друг другу.

Биполярные транзисторы работают как регуляторы тока, управляемые током. Другими словами, транзисторы ограничивают величину проходящего тока в соответствии с меньшим управляющим током. Основной поток электронов, который управляется, протекает от коллектора к эмиттеру или от эмиттера к коллектору в зависимости от типа транзистора (PNP и NPN, соответственно). Маленький поток электронов, который управляет основным током, протекает от базы к эмиттеру или от эмиттера к базе опять же в зависимости от типа транзистора (PNP и NPN, соответственно). В соответствии со стандартами обозначений полупроводниковых приборов стрелка всегда указывает в направлении, противоположном направлению потока электронов (рисунок ниже).

Маленький поток электронов база-эмиттер управляет большим потоком электронов коллектор-эмиттер, протекающим в направлении, противоположном направлению стрелки эмиттера (направления электрического тока, которое принято считать направлением от «+» к «–», совпадает с направлением стрелки эмиттера)

Биполярные транзисторы называются биполярными потому, что основной поток электронов через них происходи в двух типах полупроводникового материала: P и N, поскольку основной ток идет от эмиттера к коллектору (или наоборот). Другими словами, два типа носителей заряда – электроны и дырки – входят в состав этого основного тока через транзистор.

Как вы можете видеть, управляющий ток и управляемый ток всегда соединяются вместе в выводе эмиттера, и их электроны всегда текут против направления стрелки транзистора. Это первое и главное правило в использовании транзисторов: все токи должны протекать в правильном направлении, чтобы устройство работало как регулятор тока. Маленький управляющий ток обычно называют просто током базы, потому что он является единственным током, который проходит через вывод базы транзистора. И наоборот, большой управляемый ток называется током коллектора, потому что он является единственным током, который проходит через вывод коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму тока базы и тока коллектора в соответствии с законом токов Кирхгофа.

Отсутствие тока через базу транзистора выключает его подобно разомкнутому ключу и предотвращает протекание тока через коллектор. Ток базы превращает транзистор в что-то похожее на замкнутый ключ и дает пропорциональному значению тока пройти через коллектор. Ток коллектора в основном ограничивается током базы, независимо от величины напряжения, доступного для его раскачки. В следующем разделе будет более подробно рассмотрено использование биполярных транзисторов в качестве переключающих элементов.

Подведем итоги:

• Биполярные транзисторы названы так потому, что контролируемый ток должен проходит через два типа полупроводникового материала: P и N. Ток в разных частях транзистора состоит из обоих потоков: и электронов, и дырок.
• Биполярные транзисторы состоят либо из P-N-P, либо из N-P-N полупроводниковой «сэндвичной» структуры.
• Три вывода биполярного транзистора называются эмиттер, база и коллектор.
• Транзисторы функционируют как регуляторы тока, позволяя небольшому току управлять большим током. Величина тока, доступного между коллектором и эмиттером, в основном определяется величиной тока, протекающего между базой и эмиттером.
• Для правильного функционирования транзистора в качестве регулятора тока, управляющий (базовый) ток и управляемый (коллекторный) ток должны идти в правильных направлениях: складываться в эмиттере, поток электронов должен быть направлен противоположно направлению стрелки эмиттера, и, следовательно, направление электрического тока (протекающего от «+» к «–») должно совпадать с направлением стрелки эмиттера.

Оригинал статьи:

• Introduction to Bipolar Junction Transistors (BJT)

Теги

PN переходБиполярный транзисторОбучениеЭлектроника

Оглавление

Вперед

Биполярный транзистор — Citizendium

	Основной артикул	Обсуждение	Статьи по теме     [?]	Библиография   [?]	Внешние ссылки   [?]	Версия для цитирования   [?]
	Эта редактируемая основная статья в разработке и подлежит отказу от ответственности . [изменить введение]

Содержание

• 1 История
• 2 Операция
  • 2.1 Коэффициент усиления по току β
  • 2.2 Выходное сопротивление r _O
  • 2.3 Зависимость от частоты
• 3 Каталожные номера

(PD) Изображение: John R. Brews
Планар npn биполярный переходной транзистор, который может быть встроен в интегральную схему.

В электронике биполярный транзистор , более полно биполярный переходной транзистор , представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, используемое для коммутации и усиления. По идее, он состоит из двух pn диодов, расположенных «спина к спине», образующих сэндвич pnp или npn , где p относится к полупроводнику, легированному для создания положительно заряженных носителей (дырок) и npn . 0045 n относится к полупроводнику, легированному для получения отрицательно заряженных носителей (электронов). Более того, центральная область достаточно тонкая, чтобы позволить носителям, инжектированным из одного из крайних слоев ( эмиттер E ), фактически диффундировать через центральную область ( база B ) и собираться другим концом. регион (коллектор C ).

Очень небольшие изменения напряжения перехода эмиттер-база имеют экспоненциальное влияние на количество носителей, инжектируемых из эмиттера, поэтому база имеет огромный контроль над током, протекающим через базу к коллектору. Кроме того, ток, потребляемый базой при нормальной работе, очень мал, поэтому устройство хорошо служит для усиления либо сигнала тока, либо сигнала напряжения, подаваемого на базу.

История

Биполярный транзистор был исторически первым изобретенным транзистором. До изобретения полупроводниковых устройств в 1947 году Бардином, Браттейном и Шокли из Bell Laboratories полупроводниковые устройства представляли собой только двухконтактные устройства, такие как диоды и выпрямители. Дополнительную информацию об истории и развитии этого устройства можно найти в исторической статье Shockley ^[1] и в более поздней истории. ^[2]

Эксплуатация

(PD) Изображение: John R. Brews
Ленточная диаграмма биполярного транзистора npn со смещением в активном режиме.

Биполярный транзистор может работать в нескольких режимах, отличающихся тем, какие переходы инжектирующие (прямое смещение эмиттер-база или коллектор-база или оба) и собирающие (обратное смещение эмиттер-база или коллектор-база, или оба ). Здесь основное внимание уделяется активной моде , в которой переход эмиттер-база инжектирует, а переход коллектор-база собирает. Этот режим обычно используется в аналоговых схемах.

Используя полосную диаграмму, показанную справа, можно понять операцию. На схеме показан npn-транзистор со смещением в активном режиме. Это одномерное сечение по вертикали через центр излучателя. 9Зона проводимости 0045 , обозначенная CB , показывает наименьшую энергию электрона (в электрон-вольтах или энергии, деленной на заряд электрона) в зоне проводимости полупроводника в зависимости от положения в npn-транзисторе. Валентная зона , обозначенная как VB , показывает самую высокую энергию электронов в валентной зоне полупроводника. Эти два энергетических уровня разделены энергетической щелью полупроводника , областью запрещенной энергии для электрона. CB и VB различаются по положению внутри транзистора по двум причинам: различия в уровнях легирования от n- до p- и n- слоев типа, а также изменения электрического потенциала в структуре.

Если смещение не применяется, края полос изменяются, поскольку атомы примеси определяют количество носителей, и полосы должны корректировать положение, чтобы обеспечить правильную плотность носителей. Уровни Ферми основных носителей в различных областях показаны как определяемые уровнями легирующей примеси: E _Fn для электронов в свободном от поля объеме эмиттера, E _Fp для дырок в свободной от поля части базы и E _Fn для электронов в поле -свободный объем коллектора. Если смещения сведены к нулю, все эти уровни Ферми совпадают. Подробнее см. в статьях о полупроводниках и полупроводниковых диодах.

Когда применяется смещение, относительные энергии различных областей изменяются, нарушая равновесие и вызывая корректировку краев полосы в ответ. Уровни Ферми разделяются приложением напряжения смещения к переходам. Прямое смещение V _BE разделяет дырочный уровень Ферми в базе и электронный уровень Ферми в эмиттере. Аналогично, обратное смещение V _CB разделяет электронный уровень Ферми в объемном коллекторе от дырочного уровня Ферми в бесполевой области базы.

Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, то есть база сделана положительной по отношению к эмиттеру, притягивая электроны. Это прямое смещение V _BE уменьшает барьер φ _n препятствующий проникновению электронов в базу. Поскольку барьер меньше, электроны входят в базу, повышая концентрацию электронов в базе выше нормального равновесного уровня и создавая градиент концентрации электронной плотности поперек базы. Этот градиент управляет диффузионным потоком электронов через базу (транспорт в соответствии с законом диффузии Фика) к коллектору. При этом коллектор смещен в обратном направлении напряжением V _CB по отношению к базе, т. е. сделан положительным по отношению к базе, поэтому притягивает электроны. Это притяжение уменьшает плотность электронов на стороне коллектора базы, увеличивая градиент электронной плотности в свободной от поля части базы. Электроны, диффундирующие через базу, в конце концов достигают конца области без поля и попадают в ускоряющее электрическое поле, создаваемое обратным смещением на коллекторе. Затем транспорт электронов переключается с диффузии за счет градиента носителей на дрейф под действием электрического поля.

Сильное влияние смещения база-эмиттер на ток коллектора можно понять с точки зрения его большого влияния на плотность электронов на границе раздела база-эмиттер. Число электронов на вершине барьера в exp(− φ _n / V _th ) меньше, чем плотность в самом эмиттере. Здесь В _th — это так называемое тепловое напряжение , определяемое по формуле:

Vth = kBTq , {\ displaystyle V_ {th} = {\ frac {k_ {B} T} {q}} \,}

, где k _B — постоянная Больцмана, а T — температура в кельвинах. При 290 К В _й ≈ 25 мВ. Таким образом, изменение высоты этого барьера за счет приложенного смещения на В _BE означает, что плотность электронов на вершине барьера становится больше в exp( В _BE / В _th ), большой экспоненциальный рост.

Используя тот же аргумент, обратная инжекция дырок из базы в эмиттер также увеличивается с тем же экспоненциальным коэффициентом. Эти дырки рекомбинируют с электронами в эмиттере и образуют паразитное потребление тока, которое должно обеспечиваться базовым током.

Биполярный транзистор с гетеропереходом пытается уменьшить обратную инжекцию дырок в эмиттер за счет включения эмиттера с широкой запрещенной зоной, который увеличивает барьер φ _p без увеличения φ _n путем изменения выравнивания валентности зоны эмиттера и базы без существенного изменения выравнивания зоны проводимости. Точно так же базовые материалы с узкой запрещенной зоной могут уменьшить электронный барьер без снижения дырочного барьера за счет перестройки зон проводимости эмиттера и базы без существенного изменения выравнивания валентной зоны. ^[3]

Коэффициент усиления по току β

(PD) Изображение: John R. Brews
График Гуммеля и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора с гетероструктурой GaAs/AlGaAs. ^[4]

В приложениях ключевым параметром является усиление биполярного тока, отношение постоянного тока коллектора к постоянному току эмиттера, обычно называемое усилением тока с общим эмиттером и обозначаемое β . Ввиду сходства между прямой инжекцией электронов из эмиттера в базу и обратной инжекцией дырок в эмиттер можно было бы простительно ожидать небольшой разницы. Тем не менее, структура может быть спроектирована таким образом, чтобы значительно способствовать инжекции прямого тока по сравнению с инжекцией дырок обратно. На сравнение влияют несколько факторов. Во-первых, сильное легирование эмиттера и слабое легирование базы увеличит плотность электронов на барьере φ _n по сравнению с плотностью отверстий при φ _p . Кроме того, увеличение градиента плотности носителей в базе увеличит ток диффузии электронов, что позволяет предположить, что узкая база способствует прямой инжекции. (Узкое основание увеличивает градиент, приближая высокую плотность электронов вблизи эмиттера к низкой плотности рядом с коллектором.) Точно так же более низкий градиент плотности дырок в эмиттере будет подавлять обратную инжекцию. В отличие от базы, где коллектор с обратным смещением обеспечивает низкую плотность носителей на дальней стороне базы, в эмиттере эту функцию выполняет рекомбинация дырок на границе металлического или поликремниевого контакта с эмиттером. Выяснилось, что контакт из поликремния выгоден тем, что ток дырок в поликремнии уменьшен по сравнению с кремнием не из-за влияния на градиент концентрации дырок, а из-за того, что в поликремнии протекает гораздо меньший ток, чем в кристаллическом кремнии при том же градиенте.

На рисунке показана диаграмма Гуммеля для одного биполярного транзистора. ^[5] Это логарифмический график токов коллектора и базы в зависимости от напряжения база-эмиттер , в идеале две прямые линии, разделенные коэффициентом усиления по току β . Этот график полезен для демонстрации диапазона смещения, в котором токи следуют этой экспоненциальной зависимости от напряжения база-эмиттер, центра этого графика и начала неидеального поведения при высоких и низких уровнях тока. Это также позволяет оценить зависимость текущего уровня усиления от текущего уровня.

Выходная сопротивление

R _O

(PD) Изображение: John R. Brews
Эскиз биполярного коллекционера. тока базы I _B , показывающая экстраполяцию асимптот к раннему напряжению.

В аналоговых устройствах, таких как токовые зеркала или активные нагрузки, важно, чтобы транзистор имел большое выходное сопротивление. Такие схемы имитируют источник тока или сток тока, и сопротивление Нортона такой схемы должно быть большим для идеального поведения.

Выходное сопротивление, обычно обозначаемое как r _O , является мерой того, какое изменение напряжения коллектор-база необходимо, чтобы вызвать заданное изменение выходного тока транзистора, когда транзистор находится в активном режиме. Причина, по которой изменение V _CB изменяет ток, заключается в том, что ширина области нейтральной базы, где ток определяется градиентом плотности носителей, сужается, когда переход CB становится более смещенным в обратном направлении. Поэтому градиент плотности носителей , представляющий собой разницу между высокой плотностью вблизи эмиттера и низкой плотностью вблизи коллектора, деленную на ширину нейтральной базы, увеличивается с увеличением обратного смещения CB-перехода. Это явление называется либо модуляция ширины базы или Ранний эффект . ^[6] Согласно простой эмпирической модели (см. рисунок) выходное сопротивление определяется выражением:

rO=∂VCE∂IC|IB=константа=VA+VCEIC(IB, VCE) , {\displaystyle r_{O}=\left.{\frac {\partial V_{CE}}{\partial I_{ C}}} \ right | _ {I_ {B} = {\ text {константа}}} = {\ frac {V_ {A} + V_ {CE}} {I_ {C} (I_ {B}, \ V_ {CE})}}\ ,}

, где В _A называется Раннее напряжение и является параметром, входящим в большинство моделей транзисторов. текущий I _C (I _B , V _CE ) — ток коллектора, оцененный при выбранном базовом токе и выбранном напряжении. V _CE . Напряжение В _CE используется вместо В _CB , потому что выходное сопротивление подключено между коллектором и эмиттером в модели гибридного пи (обсуждается в разделе о частотной зависимости ниже), что удобно но физически немотивирован. Поскольку В _BE относительно невелико и не сильно меняется, разница между напряжением CB и напряжением CE в этом определении является второстепенной.

На рисунке показан наклон выходного тока как 1/ r _O и показано, как он увеличивается (как r _O уменьшается, как следует из формулы) по мере увеличения тока коллектора.

Упрощенная модель соотношения ток-напряжение постоянного тока для биполярного устройства в активном режиме, включая эффект Раннего, выглядит следующим образом: 9{\ left (v_ {BE} / V_ {th} \ right)} -1 \ right) \ left (1 + {\ frac {v_ {CE}} {V_ {A}}} \ right) \,}

, где β ₀ — это значение β , экстраполированное до V _CE = 0, V _TH — это уже упомянутое термотатное напряжение и I _S . который варьируется от устройства к устройству, называемому током насыщения . Выражение базового тока представляет собой простой диодный закон для EB-перехода.

Частотная зависимость

(PD) Изображение: Джон Р. Брюз
Биполярная гибридная пи-модель с паразитными емкостями для моделирования частотной зависимости.

(PD) Изображение: John R. Brews
Зависимость частоты перехода от уровня тока коллектора в Si-Ge HBT. ^[8]

Другим важным качеством устройства является его скорость отклика на переходные сигналы. Биполярный транзистор является очень нелинейным устройством, поэтому его переходная характеристика для больших сигналов требует численного расчета. Тем не менее, некоторое представление можно получить, используя модель слабого сигнала и рассматривая устройство для небольших вариаций состояния покоя (его Q-точка ). Такая схема показана на рисунке для устройства, смещенного в активном режиме, модели hybrid-pi . Эта схема уменьшает проблему частотной характеристики до постоянных времени RC , связанных с зарядом и разрядом различных емкостей через соответствующие им резисторы.

Чтобы свести частотную характеристику к одному числу (по общему признанию, ограниченная сводка достоинств) так называемая частота перехода , обозначенная f _T или f _t . Эта частота определяется путем изучения коэффициента усиления тока короткого замыкания транзистора, который можно оценить с помощью гибридной пи-модели в конфигурации с общим эмиттером. При подаче на базу тока слабого сигнала и замыкании коллектора на эмиттер, который заземлен, ток, втекающий в транзистор через коллектор, равен:

ic = (gm-jωCμ) vπ , {\ displaystyle i_ {c} = \ left (g_ {m} -j \ omega C _ {\ mu} \ right) v _ {\ pi} \,}

, а ток сигнала связан с входным напряжением v _π соотношением:

= (jω (Cπ + Cμ) + 1 / rπ) vπ . {\ displaystyle i_ {s} = \ left (j \ omega (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) + 1 / r_ {\pi }\right)v_{\pi }\ .}

Коэффициент усиления по току соответственно:

icis=gm−jωCμjω(Cπ+Cμ)+1/rπ=gmrπ−jωCμrπ1+jω(Cπ+Cμ)rπ .{\displaystyle {\frac {i_{c}}{i_{s}}}= {\ frac {g_ {m} -j \ omega C _ {\ mu}} {j \ omega (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) + 1 / r _ {\ pi}}} = {\ frac { g_{m}r_{\pi}-j\omega C_{\mu}r_{\pi}}{1+j\omega (C_{\pi}+C_{\mu})r_{\pi}}} \ . }

Если мы вызовем отношение:

gmrπ = ICVth VthIB = ICIB = β , {\ displaystyle g_ {m} r _ {\ pi} = {\ frac {I_ {C}} {V_ {th}}} \ {\ frac {V_ {th} }{I_{B}}}={\frac {I_{C}}{I_{B}}}=\beta \ ,}

с V _th тепловое напряжение и I _C , I _B токи постоянного тока коллектора и базы, тогда:

icis = β−jωCμrπ1 + jω(Cπ + Cμ) rπ , {\ displaystyle {\ frac {i_ {c}} {i_ {s}}} = {\ frac {\ beta -j \ omega C_ {\mu}r_{\pi}}{1+j\omega (C_{\pi}+C_{\mu})r_{\pi}}}\,}

что, естественно, обеспечивает коэффициент усиления транзистора по току нулевой частоты как β . Однако по мере увеличения частоты коэффициент усиления по току падает после прохождения угловой частоты , f > f _C :

fC = 12π (Cπ + Cμ) rπ . {\ displaystyle f_ {C} = {\ frac {1} {2 \ pi (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) r _ {\ pi}} }\ .}

Частота перехода , обозначенная как f _T , определяется как частота, на которой коэффициент усиления тока спадает до значения, равного единице:

|icis|=1=|β1+jfT/fC| , {\ displaystyle \ left | {\ frac {i_ {c}} {i_ {s}}} \ right | = 1 = \ left | {\ frac {\ beta} {1 + jf_ {T}/f_ {C }}}\право|\ ,}

или

fT ≈ βfC = gm2π (Cπ + Cμ) . {\ displaystyle f_ {T} \ приблизительно \ beta f_ {C} = {\ frac {g_ {m}} {2 \ pi (C _ {\ pi} + C_{\mu })}}\ .}

В активном режиме емкость C _мк представляет собой емкость обеднения CB-перехода, который представляет собой слаболегированный переход с большой шириной обедненного слоя. Таким образом, эта емкость мала, скажем, 2 пФ. С другой стороны, C _π включает сильнолегированную емкость EB-перехода и очень большую диффузионную емкость из-за инжектированных электронов и обычно составляет несколько сотен пФ. Это является оправданием довольно бесцеремонного игнорирования частотной зависимости в числителе jωC _μ r _π . Зависимость от частоты в знаменателе, зависящая от C _π r _π , будет доминировать над любым влиянием числителя, введенного C _μ r _π .

Как крутизна g _m , так и диффузионная емкость в C _π зависят от плотности тока коллектора, поэтому ожидается, что частота перехода будет меняться в зависимости от тока, и наблюдается зависимость тока, как показано на рисунке. Первоначально f _T увеличивается из-за преобладания g _m , но в конечном итоге ожидается насыщение, поскольку знаменатель и числитель становятся пропорциональными плотности тока. Однако на самом деле при высокой плотности тока частота перехода начинает уменьшаться, что является одним из многих неидеальных высокие эффекты впрыска .

Ссылки

1. ↑ В. С. Шокли (1976). «Путь к концепции переходного транзистора». IEEE Trans Electron Dev. ED-23 : стр. 597 и далее .
2. ↑ М. Риордан и Л. Ходдесон (1997). Хрустальный огонь: рождение века информации . WW Norton & Company. ISBN 0393041247.
3. ↑ CK Maiti, GA Armstrong (2001). «Принцип SiGe HBT», Применение кремниево-германиевых гетероструктур . CRC Press, стр. 77 и далее . ISBN 0750307234.
4. ↑ AG Baca и др., (2000). «Постоянный ток и микроволновые характеристики 100-вольтовых GaAs/AlGaAs HBT», Составные полупроводниковые силовые транзисторы II: материалы тридцать второго международного симпозиума . электрохимическое общество; Отдел электроники, с. 131. ISBN 1566772664.
5. ↑ Назван в честь Германа К. Гаммеля из Bell Laboratories, пионера численного моделирования биполярного транзистора и автора модели Гуммеля-Пуна, широко используемой для биполярного транзистора.
6. ↑ Ранний эффект назван в честь Джеймса М. Эрли, одного из ученых Bell Laboratories, участвовавших в разработке биполярного транзистора.
7. ↑ Ричард С. Джагер (1997). «§5.12: Ранний эффект и раннее напряжение», Проектирование микроэлектронной схемы . McGraw-Hill, 196 ff . ISBN 0-07-114386-6.  Эти уравнения не включают такие вещи, как текущая зависимость β , и предназначены только для качественного анализа.
8. ↑ На основе рисунка 5.5 в Джон Д. Кресслер, Гофу Ню (2003). Кремний-германиевые биполярные транзисторы с гетеропереходом . Артех Хаус, с. 148. ISBN 1580533612.

Биполярные транзисторы становятся органическими – Physics World

Органические биполярные транзисторы также могут выполнять сложные задачи обработки и передачи данных на гибких электронных элементах — например, для данных электрокардиограммы (ЭКГ). Предоставлено: © Jakob Lindenthal

Исследователи из Германии создали первый биполярный транзистор из органического полупроводника. Новый транзистор может похвастаться выдающимися характеристиками, вертикальной архитектурой и высоким дифференциальным усилением и может найти применение в высокопроизводительной тонкопленочной и гибкой электронике, где данные должны анализироваться и передаваться на высоких скоростях.

Транзисторы используются во всей современной электронике в качестве переключателей для управления потоком носителей заряда — электронов или дырок — в цепи. Биполярные транзисторы особенные, потому что они используют как электроны, так и дырки, и эта дополнительная возможность означает, что они хорошо подходят для высокоскоростных и мощных приложений. Создание их из органических полупроводников, а не из неорганических, может дать разработчикам электроники возможность сделать такие высокоскоростные и мощные устройства гибкими и прозрачными.

Группа под руководством Карла Лео из Технического университета Дрездена сделала шаг к этой цели, сконструировав органический транзистор с биполярным переходом из высокоупорядоченных (кристаллических) тонких пленок органического полупроводника, называемого рубреном. Этот материал обладает высокой подвижностью заряда, что означает, что носители заряда перемещаются через него очень быстро и на большие расстояния.

Послойно

Биполярные переходные транзисторы состоят из трех выводов, разделенных полупроводниковыми материалами p- или n-типа. В устройствах эти полупроводники расположены попеременно, либо в конфигурации pnp, либо в конфигурации npn.

Группа Лео ранее изготавливала пленки рубрена p- и n-типа, но в последней работе они предприняли дополнительный шаг по созданию этих пленок на очень тонком кристаллическом слое рубрена толщиной около 20 нм. Затем пленки служат затравкой для последующих p- и n-слоев, а также слоев i-типа, то есть они не являются ни n-, ни p- и, следовательно, не несут ни отрицательных, ни положительных носителей заряда. «Хотя такие пленки были сделаны раньше, мы первыми применили к ним электрическую присадку и реализовали сложные наборы устройств», — объясняет Лео.

Характеристика устройства

По оценкам исследователей, частота перехода их нового устройства — по сути, мера его скорости — составляет 1,6 ГГц. Это намного выше, чем рекорд для органических полевых транзисторов (OFET), который составляет 40 МГц для устройства с вертикальной конфигурацией и 160 Гц для устройства с горизонтальной конфигурацией. Однако Лео отмечает, что скорость устройства на единицу напряжения является более важным показателем его производительности. «Здесь новое устройство с частотой около 400 МГц/В почти в сто раз быстрее, чем предыдущие органические транзисторы», — говорит он.

Подробнее

Органические транзисторы достигают новых высот

Более того, Лео сообщает Physics World , что новые транзисторы команды могут использоваться для определения важного параметра устройства для органических материалов: длины диффузии неосновных носителей. Этот параметр, который является ключевым для оптимизации эффективности устройства, представляет собой расстояние, которое может пройти неосновной носитель (электроны в полупроводниках p-типа; дырки в полупроводниках n-типа), прежде чем он рекомбинирует с носителем противоположного заряда. В кремнии эта величина может составлять многие микроны. Ожидалось, что стоимость органики будет намного меньше, но в этом классе материалов она практически неизвестна, говорит Лео.

В высокоупорядоченных слоях, использованных в этой работе, группа TU Dresden определила, что длина диффузии неосновных носителей составляет 50 нм, что достаточно для хорошей работы транзисторов. Однако Лео подчеркивает, что необходимы дальнейшие исследования, чтобы определить, какие параметры материала контролируют это количество и как его можно оптимизировать.

По словам исследователей, новый транзистор может быть использован в таких приложениях, как обработка сигналов и беспроводная передача, в которых данные должны анализироваться и передаваться с высокой скоростью. Сейчас они работают над уменьшением тока утечки в устройстве, что позволило бы им напрямую измерять его рабочую скорость. «Мы также хотим обобщить применение метода высокоупорядоченных слоев к другим устройствам», — говорит Лео.