Коллекторный переход биполярного транзистора: устройство, принцип работы и характеристики — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что представляет собой коллекторный переход биполярного транзистора. Как он устроен и функционирует. Какие режимы работы транзистора существуют. Как коллекторный переход влияет на характеристики и применение транзистора.

Содержание

Структура и устройство биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости. Эти области разделены двумя p-n-переходами:

Эмиттерный переход — между эмиттером и базой
Коллекторный переход — между базой и коллектором

Существует два типа биполярных транзисторов:

n-p-n — с n-эмиттером, p-базой и n-коллектором
p-n-p — с p-эмиттером, n-базой и p-коллектором

Коллекторная область имеет наибольшую площадь и умеренную концентрацию примесей. Это позволяет ей пропускать большой ток и отводить выделяемое тепло.

Роль и особенности коллекторного перехода

Коллекторный переход играет ключевую роль в работе биполярного транзистора:

Он собирает инжектированные из эмиттера носители заряда, прошедшие через базу
Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше эмиттерного
В активном режиме коллекторный переход смещен в обратном направлении

Какие основные функции выполняет коллекторный переход? Он обеспечивает сбор носителей заряда, инжектированных эмиттером, и формирует выходной ток транзистора. Благодаря большой площади коллекторный переход может пропускать значительные токи.

Принцип работы биполярного транзистора

Принцип действия биполярного транзистора основан на управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Как это происходит?

На эмиттерный переход подается прямое смещение
Эмиттер инжектирует неосновные носители в базу
Носители диффундируют через тонкую базу к коллектору
Обратно смещенный коллекторный переход собирает эти носители

Формируется значительный ток коллектора

Таким образом, небольшим током базы можно управлять гораздо большим током коллектора. В этом и заключается усилительное действие транзистора.

Режимы работы биполярного транзистора

В зависимости от напряжений на переходах различают несколько режимов работы транзистора:

Активный (нормальный) режим — эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт
Инверсный режим — эмиттерный переход закрыт, коллекторный открыт
Режим насыщения — оба перехода открыты
Режим отсечки — оба перехода закрыты

Какой режим является основным для усиления сигналов? Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. В этом случае обеспечивается эффективное управление током коллектора.

Вольт-амперные характеристики транзистора

Работу коллекторного перехода и транзистора в целом описывают семейства вольт-амперных характеристик:

Входные характеристики — зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер
Выходные характеристики — зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при разных токах базы

Чем определяется форма выходных характеристик транзистора? Она зависит от режима работы коллекторного перехода. В активном режиме ток коллектора слабо зависит от напряжения коллектор-эмиттер из-за насыщения скорости носителей в базе.

Параметры и коэффициенты усиления транзистора

Основные параметры биполярного транзистора, связанные с коллекторным переходом:

Коэффициент передачи тока β = ΔIк / ΔIб
Коэффициент передачи эмиттерного тока α = ΔIк / ΔIэ
Обратный ток коллекторного перехода Iкбо
Пробивное напряжение коллектор-эмиттер Uкэо

Как связаны между собой коэффициенты α и β? Они связаны соотношением β = α / (1 — α). Обычно β >

> 1, поэтому α ≈ 1.

Применение биполярных транзисторов

Благодаря свойствам коллекторного перехода биполярные транзисторы широко применяются:

В усилителях тока, напряжения и мощности
В генераторах электрических колебаний
В импульсных и цифровых схемах
В стабилизаторах напряжения
В переключающих и коммутирующих устройствах

Какие свойства коллекторного перехода обеспечивают такое разнообразие применений? Способность управлять большим током коллектора малым током базы, высокое пробивное напряжение, возможность работы на высоких частотах.

Особенности коллекторного перехода в интегральных схемах

В интегральных микросхемах структура и параметры коллекторного перехода имеют некоторые особенности:

Меньшая площадь из-за миниатюризации
Более высокая концентрация примесей
Сниженное пробивное напряжение

Повышенная емкость перехода

Как эти особенности влияют на характеристики интегральных транзисторов? Они приводят к снижению максимально допустимого напряжения и тока, но позволяют работать на более высоких частотах.

Заключение

Коллекторный переход является важнейшим элементом биполярного транзистора, определяющим его основные характеристики и возможности применения. Понимание принципов его работы необходимо для эффективного использования транзисторов в электронных устройствах.

7

7.Структура и режимы работы биполярного транзистора.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей полупроводника с чередующимися типами проводимости, разделенными р-п-переходами. Из-за близкого расположения р-п-переходов между ними существует взаимодействие. Каждая область транзистора выполняет определенную функцию, поэтому концентрации легирующих примесей в них и названия областей различны.

Средняя область транзистора, расположенная между двумя р-п-переходами, называется базой (B). Одна из крайних областей с наивысшей концентрацией легирующей примеси называется эмиттером (E). Основным назначением эмиттера является инжекция неосновных носителей заряда в область базы. Соответствующий р-п-переход называют эмиттерным. Инжектированные в базу носители диффундируют в сторону третьей области, называемой коллектором (C). Основным назначением коллектора является собирание инжектированных эмиттером носителей заряда. Соответствующий р-п-переход, расположенный между базой и коллектором, называют коллекторным.

Существуют два типа биполярных транзисторов: п-р-п и р-п-р. Буквы обозначают тип проводимости эмиттерной, базовой и коллекторной областей соответственно. Символическое изображение транзисторов разных типов приведено на рис. 3.18. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока.

Рис. 3.18. Символическое изображение транзисторов:

а — n-p-n-типа; б — p-n-p-типа

При анализе работы биполярного транзистора ограничим наше рассмотрение приборами п-р-п-типа, которые в настоящее время используются гораздо чаще, имеют лучшие характеристики и большее усиление, особенно в интегральных схемах. Транзисторы р-п-р-типа по принципу действия ничем не отличаются от п-р-п-транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений.

Известны три схемы включения биполярных транзисторов в электрическую цепь, при которых возможно усиление электрической мощности: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ) и

схема с общим коллектором (ОК), которые приведены на рис. 3.19 для транзистора п-р-п-типа. Кроме того на рис. 3.19 показаны внешние источники напряжений и токи, протекающие через транзистор, в нормальном режиме работы.

Любая из схем включения обладает своими достоинствами и недостатками, поэтому выбор схемы включения транзистора в каждом конкретном случае зависит от требуемых условий. На практике чаще всего используется схема включения с общим эмиттером (ОЭ), которая позволяет получать наибольшее усиление по мощности.

а) б) в)

Рис. 3.19. Схемы включения транзистора:

а — схема ОБ; б — схема ОЭ; в — схема ОК

Структура дискретного биполярного п-р-п-транзистора приведена на рис.

3.20.

Рис. 3.20. Структура дискретного

биполярного n-p-n-транзистора

Результирующее распределение примесей в областях транзистора (сплошная линия) распределения примесей при базовой и эмиттерной диффузиях (пунктирные линии) показаны на рис. 3.21.

Рис. 3.21. Распределение примесей в дискретном биполярном

n-p-n-транзисторе

Здесь и — поверхностные концентрации примесей при эмиттерной и базовой диффузиях, а — концентрация примеси в коллекторной области, выполненной методом эпитаксии. Эмиттер представляет собой сильнолегированную область, о чем свидетельствует знак «+» при обозначении типа проводимости эмиттернорного слоя — . У реальных транзисторов площади р-п-переходов существенно различаются. Эмиттерный переход имеет значительно меньшую площадь, чем коллекторный.

Каждый из р-п-переходов транзистора имеет донную и боковые части. Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттерного перехода (на рис. 3.20 эта область заштрихована). Остальные участки, наличие которых обусловлено технологическими причинами, являются пассивными.

Идеализированная структура биполярного п-р-п-транзистора для его активной области приведена на рис. 3.22. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой щириной базы , которая у современных транзисторов, как правило не превышает 1 мкм.

Рис. 3.22. Идеализированная структура биполярного n-p-n-транзистора

Внешние напряжения и создают соответствующие смещения на переходах. В зависимости от полярности напряжений и различают четыре режима работы транзистора (рис. 3.23):

Рис. 3.23. Режимы работы n-p-n-транзистора

1) нормальный (активный) режим, когда на эмиттерном переходе действует прямое смещение, а на коллекторном — обратное;

2) инверсный режим, когда на эмиттерном переходе действует обратное смещение, а на коллекторном — прямое;

3) режим двойной инжекции (насыщения), когда на оба перехода поданы прямые смещения;

4) режим отсечки (запирания), когда на оба перехода поданы обратные смещения.

В режимах двойной инжекции и отсечки управление транзистором практически отсутствует. В нормальном режиме управление транзистором осуществляется наиболее эффективно. Только работая в нормальном режиме, транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы, т. е. усиливать, генерировать, переключать электрические сигналы и т. д.

Основные свойства транзистора определяются процессами, происходящими в базе. Существенное влияние на работу транзистора оказывает распределение легирующей примеси в базе. Если примесь в базе распределена равномерно (однородная база), то в ней отсутствует внутреннее поле и движение носителей заряда имеет чисто диффузионный характер. При неравномерном распределении примеси в области базы (неоднородная база) в ней возникает внутреннее электрическое поле, а значит, появляется дополнительная дрейфовая составляющая в движении носителей заряда. При этом необходимо так распределить примесь в базе, чтобы внутреннее поле способствовало движению носителей заряда от эмиттера к коллектору. Это возможно в случае уменьшения концентрации некомпенсированной примеси в базе в направлении от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.21.).

Принцип работы биполярного транзистора заключается в управлении током через обратно смещенный коллекторный переход. Известно, что в обратно смещенном р-п-переходе ток очень мал и определяется только неосновными носителями заряда, которые генерируются в области объемного заряда или вблизи нее. Однако при появлении у границ такого перехода дополнительных источников неосновных носителей ток через обратносмещенный переход увеличивается. Такими источниками, например, могут быть частицы высокой энергии, попадающие при внешнем излучении в диодные фотоприемники или датчики излучения.

Другой способ увеличения концентрации неосновных носителей заряда около обратно смещенного p-n-перехода заключается в размещении в непосредственной близости от него другого p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Данный способ особенно удобен, так как обеспечивает электрическое управление концентрацией неосновных носителей, т. е. управление ею с помощью напряжения смещения, приложенного к этому прямо смещенному переходу.

Такая модуляция тока в одном p-n-переходе с помощью изменения напряжения смещения другого перехода, расположенного рядом с ним, называется механизмом работы биполярного транзистора. Эта одна из самых важных идей во всей истории развития электронных приборов. За исследования, в результате которых эта идея была разработана и реализована, изобретатели биполярного плоскостного транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 г.

Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Условное графическое изображение транзисторов в электронных схемах показано на рис. 3.1. В схемах транзисторы обозначаются буквами VT с последующей порядковой нумерацией

(VT1, VT2…).

p-n-p n-p-n

Рис. 3.1. Условное обозначение биполярных транзисторов

Биполярный транзистор состоит из двух противоположно направленных p-n-переходов П1 и П2 (рис. 3.2). В монокристалле транзистора выделяют три области: эмиттер (Э), базу (Б), коллектор (К), имеющие соответствующие выводы. В схемах эмиттер изображается в виде стрелки, указывающей направление тока эмиттера.

Переход П1 между эмиттером и базой называется эмиттерным, а переход П2 – коллекторным (рис.3.2).

Биполярные транзисторы должны удовлетворять следующим основным конструктивным требованиям:

база должна быть настолько тонкой, чтобы инжектированные в неѐ носители могли без значительных потерь из-за рекомбинации достигать коллектора;

концентрация примесей в эмиттере должна быть больше, чем в базе, а толщина базы малой;

площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

p П1 n П2 p

Э К

Рис. 3.2. Структура биполярного p-n-p транзистора

Различают две структуры биполярных транзисторов p-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих структур одинаков, различие лишь в том, что в транзисторах p-n-p от эмиттера к коллектору через базу двигаются дырки, а в транзисторах n-p-n – электроны.

При работе транзистора в качестве усилителя эмиттерный переход включают в прямом, а коллекторный в обратном

направлениях (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Электродные токи в биполярном транзисторе

В p-n-p транзисторе базе сообщается отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, а коллектору ещѐ более отрицательное. В n-p-n транзисторе наоборот: база имеет более высокий потенциал по отношению к эмиттеру, а величина этого потенциала у коллектора ещѐ выше.

Если задать Uэб=0, а к переходу П2 приложить обратное напряжение Uкб, тогда Iэ=0 и в коллекторной цепи возникает слабый обратный коллекторный ток Iко. Это ток неосновных носителей базы

– дырок, притягиваемых отрицательным полюсом коллектора.

Если при этом приложить прямое напряжение Uэб к переходу П1, то дырки эмиттера, отталкиваясь от его положительного полюса, устремляются через П1 в базу. Благодаря незначительной ширине базы большинство дырок преодолевает еѐ и переход П2, притягиваясь отрицательным полюсом коллектора и образуя при этом ток коллектора Iк.

Оставшаяся в базе незначительная часть дырок,

притягиваясь отрицательным полюсом базы, образует незначительный ток базы Iб. Следовательно, между токами транзистора устанавливается соотношение Iэ=Iб+Iк.

Транзистор – обратимый прибор, в котором коллектор и

эмиттер можно менять местами. Обычное включение называют нормальным, а обратное – инверсным. Из-за различия площадей переходов П1 и П2 параметры транзистора при нормальном и инверсном включения различны.

Материал взят из книги Полупроводниковые приборы в системах транспортной телематики (Асмолов, Г.И.)

Транзистор с биполярным переходом — STUDYTRONICS

Транзистор с биполярным переходом (BJT)

· Транзистор с биполярным переходом представляет собой активное полупроводниковое устройство, образованное двумя P-N переходами, функция которых заключается в усилении электрического тока.

· Биполярные транзисторы состоят из 3 секций полупроводникового материала (чередующихся P-типа и N-типа) с 2 результирующими P-N переходами.

· Один PN-переход находится между эмиттером и базой; другой переход P-N находится между коллектором и основанием.

· Биполярные транзисторы классифицируются как NPN или PNP в зависимости от расположения их материалов N-типа и P-типа.

· В транзисторе протекание тока обусловлено как электронами, так и дырками, отсюда и название транзистора с биполярным переходом.

· Их основная конструкция и химическая обработка подразумеваются их названиями. Таким образом, транзистор NPN формируется путем введения тонкой области материала P-типа между двумя областями материала N-типа.

Транзистор NPN

Транзистор NPN формируется путем введения тонкой области материала P-типа между двумя областями материала N-типа.

PNP-транзистор

PNP-транзистор формируется путем введения тонкой области материала N-типа между двумя областями материала P-типа.

Выводы/области транзистора

BJT состоит из 3 областей, каждая из которых имеет различную концентрацию легирования. Они –

1. Коллектор

2. Основание

3. Излучатель

Коллектор
· Область коллектора имеет большую площадь, чем две другие области.

· Имеет умеренное содержание легирующих примесей.

· По сравнению с двумя другими областями коллектор пропускает больший ток и выделяет большее количество тепла.

· Для отвода тепла коллектор выполнен большей площади.

База
· База имеет наименьшую площадь среди трех регионов.

· Очень низкий уровень легирования.

· Этот терминал также известен как терминал управления.

· Базовая клемма используется для управления выходным током коллектора транзистора.

Излучатель
· Излучатель имеет умеренную площадь.

· Имеет высокий уровень легирования.

· В области эмиттера больше носителей заряда. Следовательно, он имеет высокий уровень легирования.

4 способы смещения транзистора

1. Соединение эмиттер-база и база-коллектор — оба смещены в обратном направлении Транзистор не проводит ток, т. е. транзистор находится в стадии отсечки.

2. Переход эмиттер-база и база-коллектор – оба смещены в прямом направлении. Транзистор проводит максимальный ток, т. е. транзистор находится в режиме насыщения.

3. Переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Транзистор работает в активном режиме. Эта конфигурация полезна для усиления. Работа транзистора происходит в этом режиме.

4. Переход эмиттер-база с обратным смещением и переход база-коллектор с прямым смещением Это инверсный режим работы транзистора. Транзистор проводит, но пропускная способность транзистора по току очень низкая. Его можно использовать для ослабления сигналов.

Конфигурации транзистора

Конфигурация с общей базой (CB)

· В конфигурации с общей базой или заземленной базой соединение BASE является общим как для входного сигнала, так и для выходного сигнала, при этом входной сигнал подается между базой и клеммы эмиттера.

· Соответствующий выходной сигнал снимается между клеммами базы и коллектора, как показано, при заземленной клемме базы или подключении к фиксированной точке опорного напряжения.

· Входной ток, протекающий в эмиттер, довольно велик, поскольку он представляет собой сумму тока базы и коллектора соответственно, поэтому выходной ток коллектора меньше, чем входной ток эмиттера, что приводит к усилению тока для этого типа схемы «1» (единица) или меньше, другими словами, общая базовая конфигурация «ослабляет» входной сигнал.

Характеристики общей базы
Входные характеристики

Выходные характеристики

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

· между коллектором и эмиттером, как показано на рисунке.

· Этот тип конфигурации является наиболее часто используемой схемой для транзисторных усилителей и представляет собой «обычный» метод подключения биполярных транзисторов.

· Конфигурация усилителя с общим эмиттером дает самый высокий коэффициент усиления по току и мощности из всех трех конфигураций биполярных транзисторов.

· Это происходит главным образом потому, что входной импеданс НИЗК, так как он подключен к PN-переходу, смещенному в прямом направлении, а выходной импеданс ВЫСОК, так как он берется из PN-перехода, смещенного в обратном направлении.

Характеристики общего эмиттера
Входные характеристики

Выходные характеристики

Конфигурация с общим коллектором (CC)

· В конфигурации с общим коллектором или заземленным коллектором коллектор теперь является общим через источник питания.

· Входной сигнал подключается непосредственно к базе, а выходной сигнал берется с эмиттерной нагрузки, как показано на рисунке.

· Этот тип конфигурации широко известен как цепь повторителя напряжения или повторителя эмиттера.

Конфигурация с общим коллектором или эмиттерным повторителем очень удобна для приложений согласования импеданса из-за очень высокого входного импеданса, порядка сотен тысяч Ом, при относительно низком выходном импедансе.

Коэффициент усиления транзистора

Транзистор BJT, переход коллектор-база

однако нет напряжения базы коллектора, которое мы должны преодолеть, поскольку как только мы подаем 0,7 вольта на базу, транзистор уже проводит между эмиттером и коллектором, не создавая сопротивления

Верно.

Полное объяснение см. в учебнике по теории полупроводников. То, что я представляю здесь, является упрощением, которое, я надеюсь, достаточно точно.

Внутри диода есть три области: N-область, P-область и на стыке между ними обедненный слой. Если напряжение между N-областью и P-областью недостаточно, очень мало электронов в N-области пересекают обедненный слой, и очень мало дырок в P-области пересекают обедненный слой. Когда между N-областью и P-областью имеется достаточное напряжение, электроны будут переходить из N-области в P-область, а дырки будут переходить из P-области в N-область.

Когда электроны переходят из N-области в P-область, они не сразу объединяются с дырками, а продолжают свое путешествие на некоторое расстояние как «неосновные носители». Они являются неосновными носителями, поскольку являются электронами в P-областях. Точно так же, когда дырки переходят из P-области в N-область, они не сразу объединяются с электронами, а продолжают путешествовать на некоторое расстояние как неосновные носители.

Если N-область более легирована, чем P-область, то больше электронов перейдет из N-области в P-область, чем дырок перейдет из P-области в N-область. В диоде это в основном электроны, пересекающие обедненную область, или в основном дырки, пересекающие обедненную область. Диод проводит ток в любом случае.

Для простоты в дальнейшем под словом «транзистор» я буду подразумевать NPN-транзистор. То, что происходит в транзисторе PNP, похоже, за исключением того, что роли электронов и дырок меняются местами.

Когда переход база-эмиттер (NPN) транзистора смещен в прямом направлении, электроны переходят из эмиттера N-области в базу P-области. Там они являются меньшинством носителей. Они не сразу рекомбинируют с дырками в основании. Если база тонкая, а средний путь электрона до рекомбинации достаточно велик, электроны достигнут перехода база-коллектор. Поскольку они являются неосновными носителями, они легко проходят переход база-коллектор и входят в коллектор. Оказавшись в коллекторе, они снова становятся мажоритарными носителями и свободно перемещаются к терминалу металлического коллектора. Вот почему, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, ток будет течь от эмиттера через базу к коллектору, даже если перепад напряжения база-коллектор меньше, чем у типичного диодного перехода или с обратным смещением.