Принцип работы и схема биполярного транзистора.
На нашем сайте вышел обновленный курс по электронике! Мы рады предложить Вам новые статьи по этой теме:
Всем доброго времени суток! Мы продолжаем изучать основы электроники и сегодня пришло время разобраться как работает транзистор и что это вообще за зверь такой. Сразу отметим, что они делятся на два больших класса – биполярные и полевые, так вот в этой статье речь пойдет исключительно о биполярных транзисторах. Полевые пока немного подождут, но и до них мы доберемся 🙂
Итак, приступаем!
Биполярный транзистор является одним из самых важных и основных активных компонентов. Основная цель работы биполярного транзистора заключается в увеличении сигнала по мощности. Естественно, мощность не может появиться просто из воздуха, законы физики никто не отменял, поэтому в транзисторе увеличение мощности входного сигнала достигается за счет внешнего источника питания. Еще раз повторюсь и уточню, что усиление заключается именно в увеличении мощности, в отличие от трансформатора, который может усиливать по напряжению, но при этом происходит ослабление тока, и мощность на выходе равна мощности на входе.
Двигаемся дальше. Биполярники бывают двух типов – n-p-n и p-n-p. Какого бы типа не был биполярный транзистор, он имеет три вывода (электрода), которые называются:
- коллектор
- эмиттер
- база
Схема биполярного транзистора.
Мы будем все обсуждать на примере n-p-n БТ, но в принципе для p-n-p все правила и законы точно такие же, но надо учитывать, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные.
Переходы база-эмиттер и база-коллектор представляют собой не что иное, как диоды (вот, кстати, статья о диодах), и в обычном рабочем режиме диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт. Давайте посмотрим на визуальное представление схемы биполярного транзистора в виде комбинации диодов. Но тут необходимо уточнить, что в реальности биполярный транзистор не эквивалентен двум диодам. Представление транзистора в виде пары диодов используется только для облегчения понимания принципа его работы.
Теперь давайте на основе диодной модели, составим основные правила работы биполярного транзистора. Как уже упоминалось, диод база-эмиттер должен быть открыт, а, следовательно, напряжение на базе должно превышать напряжение на эмиттере на значение прямого напряжения диода (0.6 – 0.8 В). Таким образом:
U_б = U_э + 0.6\medspaceВ
Кстати, совсем забыл уточнить. Когда мы говорим «напряжение на коллекторе/эмиттере/базе», то подразумевается напряжение на соответствующем электроде, взятое по отношению к потенциалу земли(!). Ну и, соответственно, если мы говорим о напряжении U_{бэ}, например, то имеется в виду напряжение между базой и эмиттером, то же самое относится к U_{бк} и U_{кэ} .
Возвращаемся обратно к работе биполярного транзистора!
С диодом база-эмиттер разобрались, теперь диод коллектор-база. Он должен быть смещен в обратном направлении для нормальной работы транзистора, поэтому потенциал коллектора должен быть более положительным, чем потенциал базы (для p-n-p полярности должны быть противоположными). Таким образом, если выполнены эти условия, то биполярный транзистор находится в режиме нормальной работы, при котором ток коллектора:
I_k = h_{21э}\medspace I_b
Величина h_{21э} – это коэффициент усиления по току. Вот мы и пришли к основному принципу работы транзистора, а именно: большой ток коллектора управляется небольшим значением тока базы.
С устройством БТ разобрались, уделили внимание схеме биполярного транзистора, давайте теперь рассмотрим парочку схем посложнее!
Схема ключа на биполярном транзисторе.
Вот такая вот несложная, но безумно полезная схема! Будем разбираться, как она работает.
Пусть нагрузка у нас потребляет ток 100 мА при 12 В. Если на входе у нас ничего нету, то потенциал базы равен потенциалу эмиттера и равен нулю. При таком раскладе у нас диод база-эмиттер закрыт и, следовательно, тока на выходе тоже нет. Транзистор тут находится в режиме отсечки (это значит, что оба перехода – база-коллектор и база-эмиттер – закрыты).
Подаем на вход положительное напряжение (ну, например, с ножки контроллера) и сразу же начинается движуха 🙂 Напряжение на базе составит около 0.6 В (диод база-эмиттер открыт) и в схеме начинает протекать ток базы. И к чему же это приведет? А вот к чему. Так как диод база-эмиттер открыт, а диод база-коллектор закрыт, то БТ находится в режиме усиления, а значит, через нагрузку потечет коллекторный ток. Соответственно, на нагрузке появится напряжение.
А это в свою очередь приведет к тому, что напряжение на коллекторе будет уменьшаться (смотрите сами, напряжение коллектора + напряжение на нагрузке в сумме должны составлять 12 В, если увеличивается одно из этих значений, второе уменьшается, чистая математика 🙂 ). В итоге, когда ток коллектора увеличится до 100 мА, падение напряжения на нагрузке составит около 12 В (таковы параметры нагрузки у нас), и соответственно напряжение на коллекторе станет меньше, чем на базе. А это значит, что диод база-коллектор откроется и биполярный транзистор перейдет в
Короче, пока на входе ничего нет – режим отсечки, подаем сигнал, транзистор, очень быстро минуя режим усиления, переходит в режим насыщения. В этом и заключается принцип работы биполярного транзистора в качестве ключа.
Есть тут, кстати, еще одна важная фишка. Пусть, к примеру, резистор в цепи базы имеет сопротивление 1 КОм. Пусть на базу подается 10 В. Тогда на этом резисторе будет напряжение 9.4 В (10 В минус прямое напряжение диода база-эмиттер). Рассчитаем ток базы – делим 9.4 В на 1 КОм и получаем 9.4 мА. Пусть коэффициент усиления транзистора равен 50. Находим коллекторный ток: 9.4 мА * 50 = 470 мА. Вот такой получили расчет. Вроде бы все верно, но на самом деле все совсем не так и таким образом рассчитывать нельзя! Давайте разбираться, в чем тут ошибка.
Вспоминаем, что при значении тока коллектора 100 мА напряжение на нем становится мало относительно базы и биполярный транзистор насыщается. А значит дальнейшего роста тока быть не может! Таким образом, рассчитанные 470 мА на нагрузке мы не увидим, просто образуется так называемый избыток тока базы.
Итак, сегодня мы обсудили суть работы биполярного транзистора и его схему. Хотел я еще рассказать в этой статье про эмиттерный повторитель, но как то получилось объемно, а про повторитель надо поговорить обстоятельно и обширно, так что через пару дней в новой статье обязательно вернемся к биполярникам. До скорой встречи, следите за новостями 🙂
Отличие полевого транзистора от биполярного. Сфера их применения
Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим отличие полевого транзистора от биполярного, узнаем в каких сферах применяются и те, и другие транзисторы.
И так, начнём…
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.
Отличие полевого транзистора от биполярного
Биполярные транзисторы
Проводящая область конструкции состоит из трёх «спаянных» полупроводниковых частей, с чередованием по типу проводимости. Полупроводник с донорной (электронной) проводимостью обозначается как n-тип, с акцепторной (дырочной) – p-тип. Таким образом, мы можем наблюдать только два варианта чередования – p-n-p, либо n-p-n. По этому признаку различают биполярные транзисторы с n-p-n и p-n-p структурой.
Общая часть транзисторного кристалла, контактирующая с двумя другими, называется «база». Две другие – «коллектор» и «эмиттер». Степень насыщенности базы носителями заряда (электронами или электронными вакансиями «дырками») определяет степень проводимости всего кристалла транзистора. Таким образом, осуществляется управление проводимостью переходов транзистора, что позволяет использовать его в качестве элемента усиления мощности сигнала, или ключа.
Полевые транзисторы
Проводящая часть конструкции представляет собой полупроводниковый канал p- или n-типа в металле. Ток нагрузки протекает по каналу через электроды, называемые «стоком» и «истоком». Величина сечения проводящего канала и его сопротивление зависит от обратного напряжения на p-n переходе границы металла и полупроводника канала. Управляющий электрод, соединённый с металлической областью называется «затвор».
Канал полевого транзистора может иметь электрическую связь с металлом затвора — неизолированный затвор, а может быть и отделён от него тонким слоем диэлектрика — изолированный затвор.
Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?
И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:
- высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление
- высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей)
- почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных
- квадратичность вольт — амперной характеристики (аналогична триоду)
- высокая температурная стабильность
- малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»
- малое потребление мощности
Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.
Отличие полевого транзистора от биполярного
Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.
Ток или поле, управление транзисторами
Большинству людей, так или иначе имеющими дело с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.
Ток и поле, различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.
Разная реакция на нагрев
У биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор — эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот — температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается).
Важное следствие из этого факта — если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще — благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева — их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа. По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.
Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах.
А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.
Сферы применения тех и других транзисторов
Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.
Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.
Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.
Полевые побеждают, почему?
Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.
В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.
Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.
В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.
Видео, отличие полевого транзистора от биполярного
Будем рады, если подпишетесь на наш Блог!
[wysija_form id=»1″]
Устройство биполярного транзистора
Биполярным транзистором называется электронный прибор с двумя взаимодействующими p-n -переходами и тремя или более выводами. P-n-переходы образуются тремя близко расположенными областями с чередующимися типами электропроводности:
Рис. 3.1
Большинство биполярных транзисторов изготавливается на основе кремния. Чаще используется структура n-p-n , так как в этом случае основными носителями являются электроны, а они более подвижны чем дырки. Ниже будут рассматриваться в основном биполярные транзисторы типа n-p-n, однако выводы в основном справедливы и для биполярных транзисторов типа p-
n-р , с той лишь разницей, что прямое и обратное напряжение у них имеют противоположный знак по сравнению с n-p-n .Несмотря на кажущуюся симметрию структуры биполярного транзистора по отношению к базе, p — n -переходы его несимметричны. Область эмиттера имеет более высокую концентрацию основных носителей по сравнению с коллектором. Часто область эмиттера обозначают с плюсом: n+ — эмиттер, n – коллектор, подчеркивая тем самым более высокую концентрацию электронов в эмиттере. Эмиттер выполняет роль поставщика основных носителей заряда к коллектору. Из-за большой концентрации электронов эмиттер имеет высокую проводимость (или малое объемное сопротивление). База является более высокоомной областью по сравнению с эмиттером. Основных носителей в ней – дырок – здесь мало. Однако дырки являются неосновными носителями в областях эмиттера и коллектора.
К эмиттерно-базовому переходу обычно прикладывается относительно небольшое прямое напряжение. Поэтому мощность, рассеиваемая в области эмиттера, сравнительно невелика, коллекторный переход находится обычно под достаточно большим обратным напряжением, что приводит к большой мощности, рассеиваемой в нем. Поэтому этот коллекторный переход имеет гораздо большую площадь по сравнению с эмиттером.
По конструкции и технологии изготовления различают биполярные транзисторы сплавные, эпитаксиально-диффузионные, планарные.
Рабочей областью транзистора является так называемая активная область кристалла, расположенная непосредственно под эмиттерным переходом. Необходимое взаимодействие между переходами обеспечивается малой толщиной базы, которая у современных транзисторов меньше диффузионной длины L и не превышает нескольких микрометров. При этом ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. База транзистора может быть легирована неравномерно и равномерно по своему объему. В базе с неравномерным распределением атомов примеси (неоднородная база) образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей заряда и ускорению движения носителей через базу. В однородной базе движение носителей связано только с диффузией. Поэтому первый тип транзисторов называют дрейфовыми, а второй – бездрейфовыми. Дрейфовые транзисторы более быстродействующие.
Биполярный транзистор(BJT) и его применение
Биполярный транзисторбыл изобретен в 1948 году Уильямом Шокли, Браттейном и Джоном Бардином, который изменил не только мир электроники, но и нашу повседневную жизнь. В транзисторах с биполярным переходом используются как электронные, так и дырочные носители заряда. Безразлично, что униполярные транзисторы, такие как полевые транзисторы, используют только один вид носителей заряда. Для работы BJT использует два полупроводника n-типа и p-типа между двумя переходами.Основная основная функция BJT — усиление тока, что позволит использовать BJT в качестве усилителей или переключателей для широкого применения в электронном оборудовании, включая мобильные телефоны, промышленное управление, телевидение и радиопередатчики. Доступны два разных типа BJT: NPN и PNP.
Что такое BJT?
Транзистор с биполярным переходом — это твердотельное устройство, и в BJT ток протекает на двух выводах, эмиттер и коллектор, а величина тока регулируется третьим выводом i.е. базовый терминал. Он отличается от другого типа транзистора, то есть полевого транзистора, выходной ток которого регулируется входным напряжением. Базовый символ БЮТ n-типа и p-типа показан ниже.
Биполярные переходные транзисторы
Типы биполярных переходных транзисторов
Как мы видели, полупроводник имеет меньшее сопротивление протеканию тока в одном направлении, а высокое сопротивление — в другом направлении, и мы можем назвать транзистор режимом устройства полупроводника.Транзисторы с биполярным переходом состоят из транзисторов двух типов. Который нам дал
- Точечный контакт
- Переходный транзистор
При сравнении двух транзисторов переходные транзисторы используются больше, чем точечные транзисторы. Кроме того, переходные транзисторы подразделяются на два типа, которые приведены ниже. Для каждого переходного транзистора имеется по три электрода: эмиттер, коллектор и база
- Переходные транзисторы PNP
- Переходные транзисторы NPN
Переходный транзистор PNP
В транзисторах PNP эмиттер более положительный с базой, а также с респект коллекционеру.Транзистор PNP представляет собой трехконтактное устройство, изготовленное из полупроводникового материала. Три клеммы — это коллектор, база и эмиттер, а транзистор используется для коммутации и усиления. Работа транзистора PNP показана ниже.
Обычно клемма коллектора подключается к положительной клемме, а эмиттер — к отрицательному источнику питания с помощью резистора в цепи эмиттера или коллектора. На клемму базы подается напряжение, и транзистор работает в состоянии ВКЛ / ВЫКЛ.Транзистор находится в выключенном состоянии, когда базовое напряжение равно напряжению эмиттера. Режим транзистора находится в состоянии ВКЛ, когда напряжение базы уменьшается по отношению к эмиттеру. Используя это свойство, транзистор может работать как с переключателем, так и с усилителем. Базовая схема транзистора PNP показана ниже.
Переходный транзистор NPN
Транзистор NPN прямо противоположен транзистору PNP. Транзистор NPN содержит три вывода, которые идентичны транзистору PNP: эмиттер, коллектор и база.Работа NPN-транзистора:
Обычно положительное питание подается на вывод коллектора, а отрицательное питание — на вывод эмиттера с помощью резистора в цепи эмиттера, коллектора или эмиттера. К клемме базы подается напряжение, и она работает как состояние ВКЛ / ВЫКЛ транзистора. Транзистор находится в выключенном состоянии, когда напряжение базы такое же, как и на эмиттере. Если напряжение базы увеличивается относительно эмиттера, то транзисторный режим находится в состоянии ВКЛ.Используя это условие, транзистор может работать как в усилителе, так и в переключателе. Основной символ и диаграмма конфигурации NPN, как показано ниже.
Соединительный транзистор PNP и NPNГетеро-биполярный переход
Гетеро-биполярный переходный транзистор также является типом биполярного переходного транзистора. Он использует различные полупроводниковые материалы для эмиттерной и базовой области и создает гетеропереход. HBT может обрабатывать одиночные сигналы очень высоких частот в несколько сотен ГГц, как правило, он используется в сверхбыстрых цепях и в основном используется в радиочастотах.Его приложения используются в сотовых телефонах и усилителях мощности RF.
Принцип работы BJT
Переход BE — это прямое смещение, а CB — обратное смещение. Ширина обедненной области CB-перехода больше, чем BE-перехода. Прямое смещение в BE-переходе снижает потенциал барьера и заставляет электроны течь от эмиттера к базе, а база тонкая и слегка легированная, в ней очень мало дырок и меньше электронов от эмиттера, около 2% он рекомбинирует в базовая область с отверстиями и из базового терминала она потечет.Это инициирует ток базы из-за комбинации электронов и дырок. Оставшееся большое количество электронов пройдет через коллекторный переход обратного смещения, чтобы инициировать ток коллектора. Используя KCL, мы можем наблюдать математическое уравнение
I E = I B + I C
Базовый ток очень меньше по сравнению с током эмиттера и коллектора
I E ~ I C
Здесь работа транзистора PNP такая же, как и у транзистора NPN, единственная разница только в дырках вместо электронов.На приведенной ниже диаграмме показан PNP-транзистор области активного режима.
Принцип работы BJTПреимущества BJT
- Высокая управляемость
- Работа на высоких частотах
- Семейство цифровых логических схем имеет логику с эмиттерной связью, используемую в BJT в качестве цифрового переключателя
Применения BJT
Ниже приведены два разных типа приложений в BJT это
В этой статье дается информация о том, что такое биполярный переходной транзистор, типах BJT, преимуществах, применениях и характеристиках биполярных переходных транзисторов.Я надеюсь, что приведенная в статье информация будет полезна для получения хорошей информации и понимания проекта. Кроме того, если у вас есть какие-либо вопросы относительно этой статьи или проектов в области электротехники и электроники, вы можете прокомментировать их в следующем разделе. Вот вам вопрос, если транзисторы используются в цифровых схемах, они вообще работают в каком регионе?
Фото:
Биполярный переходной транзистор: типы и его применение
Изобретение биполярного переходного транзистора (BJT) было сделано в 1948 году.Транзисторы — это основные электронные устройства, которые образуются из комбинации диодов, которые называются транзисторами с биполярным переходом. Они совершили революцию в современной электронной системе. Эти изобретения транзисторов являются основными причинами замены электронных ламп. Отдельные диоды перехода p-n, соединенные спина к спине, приводят к образованию транзистора.
Это трехконтактные устройства. Эмиттер, база и коллектор называются выводами.Базовая область — это общий вывод для базы и коллектора. Эти сформированные транзисторы входят в состав различных типов полупроводников. Это заставляет транзистор работать либо в полностью включенном, либо в выключенном режиме. Это проложило путь для транзистора, позволяющего применять переключение.
Что такое биполярный переходной транзистор?
Два диода с переходом p- и n-типа соединены таким образом, что образуется транзистор, определяемый как транзистор с биполярным переходом.Эти клеммы отвечают за движение носителей заряда, что приводит к протеканию тока.
Типы BJT
В основном транзисторы с биполярным переходом классифицируются на основе их контакта, будь то точечный контакт или переход. Но в наши дни чаще всего используются транзисторы с переходами. Эти транзисторы с биполярным переходом образуются из-за комбинации полупроводниковых диодов, классифицируемых на основе p-типа и n-типа подключенных.
Если два p-типа соединены с an-типом в середине, это определяется как P-N-P транзистор. Если два n-типа соединены с p-типом в середине, он определяется как транзистор N-P-N. Оба эти N-P-N и P-N-P подпадают под категорию BJT или называются типами BJT.
Есть еще один тип BJT, который называется гетеробиполярным транзистором с переходом в этом другом материале полупроводников, предпочтительным в зависимости от того, какие разные переходы в транзисторе разработаны.Таким образом классифицируются транзисторы с биполярным переходом.
Обозначение биполярного переходного транзистора
Символические изображения транзисторов N-P-N и P-N-P следующие:
Единственное различие между транзисторами P-N-P и N-P-N состоит в том, что движение тока основано на стрелках.
Принцип работы BJT
Три терминала, присутствующие в BJT, отвечают за формирование соединений эмиттера и базы, а также коллектора и базы.Как и предполагалось, соединение базы и эмиттера находится в прямом смещении, а соединение коллектор-база — в прямом смещении. Из-за прямого смещения у базы и эмиттера поток основных носителей идет от эмиттера к базе.
Поскольку область в основании имеет концентрацию легкого легирования, не все основные носители объединяются, некоторые из них имеют тенденцию течь к коллектору. Таким образом генерируются токи на эмиттере, базе и коллекторе.Генерируемый ток эмиттера является суммой токов базы и коллектора. Величина генерируемого базового тока меньше по сравнению с токами, генерируемыми на эмиттере и коллекторе.
Принцип работы остается одинаковым для транзисторов P-N-P и N-P-N, но единственное различие между ними заключается в наличии основных носителей заряда. В P-N-P большинство носителей — это дырки, а в N-P-N большинство носителей — электроны.
Эквивалентная схема BJT
Из обсуждения транзисторов становится ясно, что формирование транзистора происходит из-за задействования двух диодов, подключенных к задней части.Следовательно, эти диоды приводят к образованию двух соответствующих переходов, что дополнительно связано с наличием в нем клемм.
P-N-P Представление эквивалентной схемы транзистора (BJT)
Следовательно, схема BJT может быть представлена двумя диодами с переходом P-N. Это эквивалентная схема BJT.
Смещение биполярного переходного транзистора
Смещение биполярного переходного транзистора — это не что иное, как приложение внешнего источника напряжения к соответствующим переходам, участвующим в нем.Это смещение приводит к основному процессу транзистора, на основе которого классифицируются области.
(1) Область отсечки
Поскольку оба перехода транзисторов не имеют внешнего источника питания. Следовательно, видимых напряжений не видно. Сформированная область определяется как область отсечения.
(2) Активная область
При этом один переход должен находиться в режиме прямого смещения, а другой — в режиме обратного смещения.Этот тип области называется активной областью. В этом случае q-точка будет в центре кривой характеристик, поэтому она наиболее часто используется во время операций.
(3) Область насыщения
В этом случае оба перехода должны находиться в прямом режиме, то есть в режиме высокой проводимости. Этот тип области называется областью насыщения.
При использовании транзистора в качестве переключателя предпочтительны режим отсечки и режимы насыщения.То есть он должен работать либо в полностью включенном, либо в выключенном режиме. Следовательно, эта концепция Q-точки в активной области и в других режимах, чтобы сделать ее стабильной, требует смещения.
(1) Фиксированное смещение
Это смещение также называется базовым смещением. В этом типе смещения соединение одного источника питания будет поддерживаться между базой и коллектором с помощью двух резисторов. Если значения сопротивления изменяются на его основе, можно регулировать ток на клеммной базе.Таким образом, можно также контролировать Q-точку.
(2) Смещение коллектор-база
В этом случае резистор базы собирается поперек коллектора, а не подключается к источнику питания. Этот тип смещения предпочтителен во время стабилизации точки Q против изменений температуры.
Если ток коллектора имеет тенденцию к увеличению, может произойти падение напряжения на резисторе, приводящее к уменьшению значения напряжения на резисторе базы.Таким образом, ток на базе уменьшается, одновременно снижается значение тока на коллекторе. Это снизит влияние температуры на точку Q, сделав ее стабильной.
(3) Self-Bias
Этот тип смещения также называется смещением делителя напряжения. Этот тип предвзятости используется чаще всего. Резисторы выполнены в виде схемы делителя потенциала. Следовательно, на базовый терминал подается равное или фиксированное напряжение.Таким образом классифицируются методы смещения транзисторов.
Характеристики биполярного переходного транзистора
Характеристики биполярного транзистора зависят от того, какие конфигурации он классифицирует, будь то общий эмиттер, общая база и общий коллектор.
Таким образом сравниваются характеристики различных конфигураций биполярного переходного транзистора.
Усиление напряжения
Усиление напряжения определяется как отношение выходных напряжений к приложенному входному напряжению.Это усиление напряжения зависит от генерируемых токов в зависимости от его конфигурации и подключенных к нему резисторов.
Коэффициент усиления по току
Отношение токов, генерируемых на выходе, к входному значению тока, которое называется коэффициентом усиления по току конкретного транзистора. Наибольший коэффициент усиления по току получается в конфигурации с общим коллектором. При очень меньшем значении усиления по напряжению самые высокие коэффициенты усиления по току достигаются в конфигурации с общим коллектором.
Применение BJT
Применения биполярного переходного транзистора следующие:
1) Это транзисторы, которые предпочтительны в логических схемах.
2) Используется в схемах усиления.
3) Они предпочтительны в колебательных цепях.
4) Они предпочтительны в схемах с несколькими вибраторами.
5) В схемах ограничения они предпочтительнее для схем формирования сигнала.
6) Применяется в схемах таймера и схемах задержки времени.
7) Используются в схемах переключения.
8) Используется в схемах детектора или как демодуляция.
Эти транзисторы с биполярным соединением имеют более простую конструкцию. Они считаются основной классификацией транзисторов. Основное применение этого транзистора часто проявляется в переключателях. Причина этого в том, что его конструкция менее сложна по сравнению с другими транзисторами.
Теперь вы можете определить, почему конфигурации в BJT классифицируются и насколько это важно для электронных систем?
биполярный транзистор Wikipedia
| NPN | |
| PNP |
Биполярный переходной транзистор ( BJT ) представляет собой тип транзистора, в котором в качестве носителей заряда используются электроны и электронные дырки.Напротив, униполярный транзистор, такой как полевой транзистор, использует только один вид носителя заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, подаваемому на один из его выводов, управлять гораздо большим током, протекающим между двумя другими выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению.
BJT используют два перехода между двумя типами полупроводников, n-типом и p-типом, которые представляют собой области в монокристалле материала. Переходы могут быть выполнены несколькими различными способами, такими как изменение легирования полупроводникового материала по мере его роста, путем осаждения металлических таблеток с образованием переходов сплава или такими методами, как диффузия легирующих веществ n-типа и p-типа в кристалл.Превосходная предсказуемость и производительность переходных транзисторов вскоре вытеснили исходный точечный транзистор. Рассеянные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральных схем для аналоговых и цифровых функций. Сотни биполярных переходных транзисторов могут быть изготовлены в одной схеме по очень низкой цене.
Интегральные схемы на биполярных транзисторах были основными активными устройствами поколения мэйнфреймов и мини-компьютеров, но в большинстве компьютерных систем сейчас используются интегральные схемы, основанные на полевых транзисторах.Биполярные транзисторы до сих пор используются для усиления сигналов, коммутации и в цифровых схемах. Специализированные типы используются для высоковольтных переключателей, радиочастотных усилителей или для коммутации сильных токов.
Условные обозначения направления тока []
По соглашению, направление тока на диаграммах показано как направление, в котором будет двигаться положительный заряд. Это называется условным током . Однако ток во многих металлических проводниках возникает из-за потока электронов.Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении, противоположном обычному току. [a] С другой стороны, внутри биполярного транзистора токи могут состоять как из положительно заряженных дырок, так и из отрицательно заряженных электронов. В этой статье стрелки тока показаны в обычном направлении, но метки движения дырок и электронов показывают их фактическое направление внутри транзистора. Стрелка на символе биполярных транзисторов указывает на PN-переход между базой и эмиттером и указывает направление, в котором проходит обычный ток.
Функция []
BJT существуют как типы PNP и NPN, в зависимости от типов допирования трех основных концевых областей. Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковых переходов, которые разделяют тонкую область, легированную p-примесью, а транзистор PNP содержит два полупроводниковых перехода, которые имеют общую тонкую область, легированную n-примесью. N-тип означает легирование примесями, которые обеспечивают подвижные электроны, а P-тип означает легирование примесями, которые обеспечивают дырки, которые легко принимают электроны.
NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходомПоток заряда в BJT возникает из-за диффузии носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией носителей заряда.Области BJT называются эмиттером , базой и коллектором . [b] Дискретный транзистор имеет три вывода для подключения к этим областям. Обычно эмиттерная область сильно легирована по сравнению с двумя другими слоями, а коллектор легирован слабее, чем база (легирование коллектора обычно в десять раз легче, чем легирование базы [2] ). По своей конструкции большая часть коллекторного тока БЮТ возникает из-за потока носителей заряда (электронов или дырок), инжектируемых из сильно легированного эмиттера в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как неосновные. несущие устройства.
В типичном режиме работы переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, что означает, что сторона перехода, легированная p-примесью, имеет более положительный потенциал, чем сторона, легированная n-атомом, а переход база-коллектор имеет обратное смещение. . Когда прямое смещение приложено к переходу база-эмиттер, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области n-легированного эмиттера нарушается. Это позволяет термически возбужденным электронам (в NPN; дыркам в PNP) инжектировать из эмиттера в базовую область.Эти электроны диффундируют через базу из области высокой концентрации около эмиттера в область низкой концентрации около коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями , потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе. В устройстве PNP происходит аналогичное поведение, но с дырками в качестве основных носителей тока.
Чтобы свести к минимуму долю носителей, которые рекомбинируют перед тем, как достичь перехода коллектор-база, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника.Наличие слаболегированной базы обеспечивает низкие скорости рекомбинации. В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но носители, которые вводятся в базу и диффундируют, достигая обедненной области коллектор-база, уносятся в коллектор электрическим полем. в области истощения. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер — вот что отличает биполярный транзистор от двух последовательно соединенных диодов , соединенных последовательно с противоположно смещенными диодами .
Контроль напряжения, тока и заряда []
Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (контроль тока) или напряжением база-эмиттер (контроль напряжения). Эти представления связаны между собой вольт-амперной зависимостью перехода база-эмиттер, которая представляет собой обычную экспоненциальную вольт-амперную кривую p-n-перехода (диода). [3]
Коллекторный ток объясняется градиентом концентрации неосновных носителей заряда в основной области. [3] [4] [5] Из-за низкоуровневой инъекции (при которой избыточных носителей гораздо меньше, чем у обычных основных носителей) скорости амбиполярного переноса (при которых избыточные основные и неосновные носители текут на та же скорость) фактически определяется избыточными неосновными носителями.
Подробные модели действия транзисторов, такие как модель Гаммеля – Пуна, явно учитывают распределение этого заряда для более точного объяснения поведения транзистора. [6] Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от заряда в базовой области. рекомбинирование. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на клеммах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.
В разработке аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно.То есть ток коллектора примерно в βF {\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}} умноженный на базовый ток. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение база-эмиттер приблизительно постоянно, а ток коллектора в β раз больше тока базы. Однако для точного и надежного проектирования производственных цепей BJT требуется модель регулирования напряжения (например, Ebers – Moll). [3] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса – Молла, конструкция для таких схем, как дифференциальная Усилители снова становятся в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлению напряжением.Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная кривая ВАХ является ключом к работе, транзисторы обычно моделируются как источники тока, управляемые напряжением, крутизна которых пропорциональна их току коллектора. Как правило, анализ схемы на уровне транзистора выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговой схемы, поэтому сложность математической модели обычно не имеет большого значения для разработчика, но упрощенное представление характеристик позволяет создавать проекты в соответствии с логическим процессом. .
Задержка включения, выключения и сохранения []
Биполярные транзисторы, и особенно силовые транзисторы, имеют длительное время хранения базы, когда они находятся в состоянии насыщения; базовое хранилище ограничивает время выключения при переключении приложений. Фиксатор Бейкера может предотвратить сильное насыщение транзистора, что снижает количество заряда, хранящегося в базе, и, таким образом, улучшает время переключения.
Характеристики транзистора: альфа (α) и бета (β) []
Доля носителей, способных пересечь базу и достичь коллектора, является мерой эффективности BJT.Сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Тонкая и слегка легированная базовая область означает, что большинство неосновных носителей, которые вводятся в базу, будут диффундировать к коллектору, а не рекомбинировать.
Коэффициент усиления по току с общим эмиттером представлен β F или h-параметром h FE ; это приблизительно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области.Обычно оно больше 50 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных приложений. И эффективность инжекции, и рекомбинация в базе уменьшают усиление BJT.
Другой полезной характеристикой является коэффициент усиления по току общей базы , α F . Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,980 и 0.998. Оно меньше единицы из-за рекомбинации носителей заряда при пересечении базовой области.
Альфа и бета связаны следующими идентичностями:
- αF = ICIE, βF = ICIB, αF = βF1 + βF⟺βF = αF1 − αF. {\ Displaystyle {\ begin {align} \ alpha _ {\ text {F}} & = {\ frac {I _ {\ text {C}}} {I _ {\ text {E}}}}, & \ beta _ {\ text {F}} & = {\ frac {I _ {\ text {C}}} {I _ {\ text { B}}}}, \\\ alpha _ {\ text {F}} & = {\ frac {\ beta _ {\ text {F}}} {1+ \ beta _ {\ text {F}}}} & \ iff \ beta _ {\ text {F}} & = {\ frac {\ alpha _ {\ text {F}}} {1- \ alpha _ {\ text {F}}}}.\ end {align}}}
Бета — удобный показатель качества для описания характеристик биполярного транзистора, но не фундаментальное физическое свойство устройства. Биполярные транзисторы можно рассматривать как устройства, управляемые напряжением (в основном ток коллектора контролируется напряжением база-эмиттер; ток базы можно рассматривать как дефект и контролируется характеристиками перехода база-эмиттер и рекомбинацией в базе). Во многих конструкциях предполагается, что бета достаточно высока, так что базовый ток оказывает незначительное влияние на схему.В некоторых схемах (как правило, в схемах переключения) подается достаточный базовый ток, так что даже самое низкое значение бета, которое может иметь конкретное устройство, по-прежнему позволяет протекать требуемому току коллектора.
Структура []
Упрощенное сечение планарного транзистора с биполярным переходом NPN
BJT состоит из трех областей полупроводников с различными легировками: области эмиттера , области базы и области коллектора .Этими областями являются, соответственно, тип p , тип p и тип p в транзисторе PNP и тип n , тип p и тип n в транзисторе NPN. Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), основание (B) и коллектор (C).
База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из легированного материала с высоким сопротивлением.Коллектор окружает эмиттерную область, что делает практически невозможным для электронов, инжектированных в базовую область, уйти, не будучи собранными, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Поперечное сечение BJT показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.
Транзистор с биполярным переходом, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в обратном режиме.Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения α и β в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто α обратной моды ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с соотношением легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как разомкнется переход коллектор-база.Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.
Матрица высокочастотного NPN-транзистора KSY34. Соединительные провода подключаются к базе и эмиттеруНизкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, которые иногда используются в процессах CMOS, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы.
Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока между эмиттером и коллектором . Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока с управлением по напряжению, но их проще охарактеризовать как источники тока с управлением по току или усилители тока из-за низкого импеданса в базе.
Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния.Значительное меньшинство теперь также производится из арсенида галлия, особенно для приложений с очень высокой скоростью (см. HBT ниже).
Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) — это усовершенствованный биполярный транзистор, который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых цепях, в основном в радиочастотных системах. [7] [8]
Два обычно используемых HBT — это кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры HBT может использоваться широкий спектр полупроводников.Структуры HBT обычно выращиваются методами эпитаксии, такими как MOCVD и MBE.
Регионы присутствия []
| Переход типа | Приложено напряжений | Соединение смещения | Режим | |
|---|---|---|---|---|
| B-E | B-C | |||
| NPN | E | Вперед | Реверс | Форвард-активный |
| E C | Вперед | Вперед | Насыщенность | |
E> B | Реверс | Реверс | Отрезка | | |
| E> B> C | Реверс | Вперед | Обратно-активный | |
| PNP | E | Реверс | Вперед | Обратно-активный |
| E C | Реверс | Реверс | Отрезка | |
E> B | Вперед | Вперед | Насыщенность | | |
| E> B> C | Вперед | Реверс | Форвард-активный | |
Биполярные транзисторы имеют четыре различные области работы, определяемые смещениями BJT-перехода.
- Активный вперед (или просто активный )
- Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном. Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером, β F , в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.
- реверсивно-активный (или инверсно-активный или инвертированный )
- Изменяя условия смещения активной области в прямом направлении, биполярный транзистор переходит в режим обратной активности.В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов предназначены для максимального увеличения коэффициента усиления по току в прямом активном режиме, β F в инвертированном режиме в несколько раз меньше (в 2–3 раза для обычного германиевого транзистора). Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для условий отказоустойчивости и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
- Насыщенность
- Когда оба перехода смещены в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и способствует прохождению сильного тока от эмиттера к коллектору (или в другом направлении в случае NPN с отрицательно заряженными носителями, протекающими от эмиттера к коллектору).Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
- Отрезка
- В режиме отсечки присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень мал, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.
- Район схода лавины
Входные характеристики
Выходные характеристики
Входные и выходные характеристики кремниевого транзисторного усилителя с общей базой.
Режимы работы могут быть описаны в терминах приложенных напряжений (это описание относится к транзисторам NPN; полярности обратные для транзисторов PNP):
- Вперед-активный
- База выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы на βF {\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}).
- Насыщенность
- База выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
- Отрезка
- База ниже эмиттера, но коллектор выше базы.Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток от коллектора к эмиттеру.
- Обратно-активный
- База ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.
С точки зрения смещения перехода: ( соединение база-коллектор с обратным смещением означает V bc <0 для NPN, напротив для PNP)
Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются при малых (менее нескольких сотен милливольт) смещениях.Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, поскольку базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; тем не менее, прямое смещение достаточно близко к нулю, чтобы ток практически не протекал, поэтому этот конец прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.
Активные транзисторы в схемах []
Устройство и применение NPN-транзистора. Стрелка по схеме.
На схеме схематично показан NPN-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. (Такое же описание применимо к транзистору PNP с обратными направлениями тока и приложенного напряжения.) Это приложенное напряжение заставляет нижний переход P-N становиться смещенным вперед, позволяя потоку электронов от эмиттера к базе. В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллектором (вызванное V CE ), заставит большинство этих электронов пересечь верхний P-N переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора I C .Остальные электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы, I B . Как показано на диаграмме, ток эмиттера, I E , представляет собой полный ток транзистора, который является суммой токов других клемм (т. Е. I E = I B + I C ).
На схеме стрелки, представляющие ток, указывают на направление обычного тока — поток электронов идет в направлении, противоположном стрелкам, потому что электроны несут отрицательный электрический заряд.В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по постоянному току . Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения (например, см. Операционный усилитель). Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как hFE {\ displaystyle h _ {\ text {FE}}}, а значение этого усиления для небольших сигналов обозначается как hfe {\ displaystyle h _ {\ text {fe}. }}. То есть, когда происходит небольшое изменение токов и прошло достаточно времени для достижения нового состояния устойчивого состояния, hfe {\ displaystyle h _ {\ text {fe}}} — это отношение изменения тока коллектора к изменение базового тока.Символ β {\ displaystyle \ beta} используется как для hFE {\ displaystyle h _ {\ text {FE}}}, так и для hfe {\ displaystyle h _ {\ text {fe}}}. [9]
Ток эмиттера связан с VBE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}} экспоненциально. При комнатной температуре увеличение VBE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}} примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз. Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они меняются таким же образом.
История []
Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года. [10] в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли.Версия с переходом, известная как биполярный переходный транзистор (BJT), изобретенная Шокли в 1948 году, [11] в течение трех десятилетий была предпочтительным устройством при разработке дискретных и интегральных схем. В настоящее время использование BJT снизилось в пользу технологии CMOS при разработке цифровых интегральных схем. Однако случайные низкоэффективные BJT, присущие КМОП-микросхемам, часто используются в качестве эталона напряжения запрещенной зоны, кремниевого датчика температуры запрещенной зоны и для обработки электростатического разряда.
Германиевые транзисторы []
Германиевый транзистор был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, но имеет большую тенденцию к тепловому неуправлению.
Ранние технологии изготовления []
Разработаны различные методы изготовления биполярных транзисторов. [12]
- Точечный транзистор — первый транзистор, когда-либо созданный (декабрь 1947 г.), биполярный транзистор, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
- Транзисторы соединительные
Теория и моделирование []
Полосная диаграмма для NPN-транзистора в активном режиме, показывающая инжекцию электронов от эмиттера к базе и их выброс в коллекторТранзисторы можно рассматривать как два диода (P – N-переходы), разделяющие общую область, через которую могут проходить неосновные носители.PNP BJT будет работать как два диода с общей катодной областью N-типа, а NPN как два диода с общей анодной областью P-типа. Соединение двух диодов с помощью проводов не приведет к образованию транзистора, поскольку неосновные носители не смогут попасть от одного P – N перехода к другому через провод.
Оба типа BJT функционируют, позволяя небольшому входному току на базу управлять усиленным выходом коллектора. В результате транзистор является хорошим переключателем, управляемым его базовым входом.BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может умножить слабый входной сигнал примерно в 100 раз по сравнению с его исходной силой. Сети транзисторов используются для создания мощных усилителей с множеством различных применений. В приведенном ниже обсуждении основное внимание уделяется биполярному транзистору NPN. В NPN-транзисторе в так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер VBE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}} и напряжение коллектор-база VCB {\ displaystyle V _ {\ text {CB}}} положительны, прямое смещение перехода эмиттер-база и обратное смещение перехода коллектор-база.В активном режиме работы электроны инжектируются из области эмиттера n-типа с прямым смещением в базу p-типа, где они диффундируют как неосновные носители к коллектору n-типа с обратным смещением и уносятся электрическим полем в обратносмещенный переход коллектор – база. Для рисунка, описывающего прямое и обратное смещение, см. Полупроводниковые диоды.
Модели с большим сигналом []
В 1954 году Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель транзисторных токов: [26]
Модель Эберса – Молля []
Модель Эберса – Молла для NPN-транзистора. [27] I B , I C и I E — токи базы, коллектора и эмиттера; I CD и I ED — токи коллекторного и эмиттерного диодов; α F и α R — это коэффициенты усиления прямого и обратного тока с общей базой.Модель Эберса – Молля для PNP-транзистора
Приближенная модель Эберса – Молла для NPN-транзистора в прямом активном режиме. {\ frac {V _ {\ text {BE }}} {V _ {\ text {T}}}} — 1 \ right) \ right] \ end {align}}}
где
Базовая модуляция []
Вверху: ширина основания NPN для низкого обратного смещения коллектор – основание; Внизу: меньшая ширина основания NPN для большого обратного смещения коллектор-основание.Хэшированные регионы — это истощенные регионы.При изменении напряжения коллектор – база (VCB = VCE – VBE {\ displaystyle V _ {\ text {CB}} = V _ {\ text {CE}} — V _ {\ text {BE}}}), коллектор – база область истощения различается по размеру. Например, увеличение напряжения коллектор – база вызывает большее обратное смещение в переходе коллектор – база, увеличивая ширину обедненной области коллектор – база и уменьшая ширину базы. Это изменение ширины основания часто называют эффектом Early в честь его первооткрывателя Джеймса М.Рано.
Уменьшение ширины основания имеет два последствия:
- Существует меньшая вероятность рекомбинации в пределах «меньшей» базовой области. {\ frac {v _ {\ text {BE}}} {V _ {\ text {T}}}} \ left (1 + {\ frac {V _ {\ text {CE}}} {V _ {\ text { A}}}} \ right) \\\ beta _ {\ text {F}} & = \ beta _ {{\ text {F}} 0} \ left (1 + {\ frac {V _ {\ text {CB }}} {V _ {\ text {A}}}} \ right) \\ r _ {\ text {o}} & = {\ frac {V _ {\ text {A}}} {I _ {\ text {C} }}} \ end {align}}}
где:
Пробивка []
Когда напряжение база-коллектор достигает определенного (зависящего от устройства) значения, граница обедненной области база-коллектор пересекает границу обедненной области база-эмиттер.В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет всякий выигрыш.
Модель контроля заряда Гаммеля – Пуна []
Модель Гаммеля – Пуна [29] — это подробная модель динамики BJT с контролируемым зарядом, которая была принята и разработана другими разработчиками для более подробного объяснения динамики транзисторов, чем это обычно делается в моделях на основе клемм. [30] Эта модель также включает в себя зависимость значений β {\ displaystyle \ beta} транзистора от уровней постоянного тока в транзисторе, которые в модели Эберса – Молла считаются независимыми от тока. [31]
Малосигнальные модели []
МодельHybrid-pi []
Модель hybrid-pi — это популярная схемная модель, используемая для анализа слабого сигнала и поведения переменного тока биполярных переходных и полевых транзисторов. Иногда ее также называют Giacoletto model , потому что она была представлена LJ Giacoletto в 1969 году. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и другие паразитические элементы.
Модель h-параметра []
Обобщенная модель h-параметра NPN BJT.
Замените x на e , b или c для топологий CE, CB и CC соответственно.Другая модель, обычно используемая для анализа цепей BJT, — это модель с h-параметром , тесно связанная с гибридной моделью pi и двухпортовой моделью y-параметра, но с использованием входного тока и выходного напряжения в качестве независимых переменных, а не входных и выходное напряжение.Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT, поскольку она легко поддается анализу поведения схемы и может использоваться для разработки дальнейших точных моделей. Как показано, термин x в модели представляет разные отведения BJT в зависимости от используемой топологии. В режиме с общим эмиттером различные символы принимают определенные значения, как:
- Терминал 1, база
- Терминал 2, коллектор
- Клемма 3 (общая), эмиттер; давая x , чтобы быть e
- i i , базовый ток ( i b )
- i o , ток коллектора ( i c )
- В в , напряжение база-эмиттер ( В BE )
- В o , напряжение коллектор-эмиттер ( В CE )
, а h-параметры определяются как:
- h ix = h , т.е. для конфигурации с общим эмиттером, входное сопротивление транзистора i n (соответствует сопротивлению базы r pi ).
- h rx = h re , обратное передаточное отношение r , оно представляет зависимость транзистора (вход) I B — V BE кривая от значения (выход) В CE . Обычно он очень маленький, и на постоянном токе им часто пренебрегают (принимают равным нулю).
- h fx = h fe , «прямой» коэффициент усиления транзистора по току, иногда записывается h 21 .Этот параметр со строчными буквами «fe» означает усиление слабого сигнала (переменного тока) или, чаще, с заглавными буквами для «FE» (указывается как h FE ), что означает «большой сигнал» или усиление по постоянному току. ( β DC или часто просто β ), является одним из основных параметров в таблицах данных, и может быть дан для типичного тока коллектора и напряжения или нанесен на график как функция тока коллектора. Смотри ниже.
- h ox = 1/ h oe , выходное сопротивление транзистора.Параметр h oe обычно соответствует выходной проводимости биполярного транзистора и должен быть инвертирован, чтобы преобразовать его в импеданс.
Как показано, h-параметры имеют нижние индексы и, следовательно, обозначают условия переменного тока или анализ. Для условий постоянного тока они указываются в верхнем регистре. Для топологии CE обычно используется приблизительная модель h-параметра, которая еще больше упрощает анализ схемы. Для этого игнорируются параметры h oe и h re (то есть они устанавливаются на бесконечность и ноль соответственно).Показанная модель h-параметра подходит для низкочастотного анализа слабого сигнала. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.
Этимология h FE []
h означает, что он является h-параметром, набором параметров, названных по их происхождению в модели эквивалентной схемы h ybrid (см. Выше). Как и для всех параметров h, выбор строчных или заглавных букв для букв, следующих за «h», имеет значение; строчные буквы означают параметры «слабого сигнала», то есть наклон конкретной зависимости; прописные буквы означают «большой сигнал» или значения постоянного тока, соотношение напряжений или токов.В случае очень часто используются h FE :
- F от F или усиление тока , также называемое усилением тока.
- E относится к транзистору, работающему в общей конфигурации E mitter (CE).
So h FE (или hFE) относится к (общему; постоянному) току коллектора, разделенному на ток базы, и является безразмерным. Это параметр, который несколько меняется в зависимости от тока коллектора, но часто приближается к константе; он обычно указывается при типичном токе и напряжении коллектора или отображается в виде графика как функция тока коллектора.
Если бы заглавные буквы не использовались для использования в нижнем индексе, то есть если бы он был написан h fe , параметр указывает усиление тока слабого сигнала (AC), то есть наклон графика тока коллектора относительно базового тока при заданном точка, которая часто близка к значению hFE, если только частота испытаний не высока.
Отраслевые модели []
Этот раздел требует расширения . Вы можете помочь, добавив к нему. (январь 2015 г.) Модель Gummel – Poon SPICE часто используется, но она страдает рядом ограничений. К ним обращаются в различных более продвинутых моделях: Mextram, VBIC, HICUM, Modella. [32] [33] [34] [35]
Приложения []
BJT остается устройством, которое выделяется в некоторых приложениях, таких как разработка дискретных схем, благодаря очень широкому выбору доступных типов BJT, а также из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления по сравнению с MOSFET.
BJT также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для высокочастотных приложений, таких как радиочастотные цепи для беспроводных систем.
Высокоскоростная цифровая логика []
Эмиттерно-связанная логика (ECL) использует BJT.
Биполярные транзисторы могут быть объединены с полевыми МОП-транзисторами в интегральной схеме с использованием процесса изготовления полупроводниковых пластин BiCMOS для создания схем, в которых используются преимущества обоих типов транзисторов.
Усилители []
Параметры транзистора α и β характеризуют коэффициент усиления по току BJT. Именно это усиление позволяет использовать BJT в качестве строительных блоков электронных усилителей. Три основных топологии усилителя BJT:
Датчики температуры []
Из-за известной зависимости напряжения перехода база-эмиттер от температуры и тока в прямом направлении, BJT может использоваться для измерения температуры путем вычитания двух напряжений при двух разных токах смещения в известном соотношении. [36]
Логарифмические преобразователи []
Поскольку напряжение база-эмиттер изменяется как логарифм токов база-эмиттер и коллектор-эмиттер, BJT также может использоваться для вычисления логарифмов и антилогарифмов. Диод также может выполнять эти нелинейные функции, но транзистор обеспечивает большую гибкость схемы.
Уязвимости []
Воздействие ионизирующего излучения на транзистор вызывает радиационное повреждение. Излучение вызывает накопление «дефектов» в основной области, которые действуют как центры рекомбинации.Результирующее сокращение срока службы неосновных носителей приводит к постепенной потере усиления транзистора.
Транзисторы имеют «максимальные характеристики», включая номинальную мощность (существенно ограниченную самонагревом), максимальные токи коллектора и базы (как постоянные / постоянные, так и пиковые), а также номинальные значения напряжения пробоя, при превышении которых устройство может выйти из строя или, по крайней мере, плохо работать.
В дополнение к нормальным характеристикам пробоя устройства силовые BJT подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоем, при котором чрезмерный ток и нормальные дефекты кремниевого кристалла приводят к тому, что части кремния внутри устройства становятся непропорционально горячее, чем другие .Удельное электрическое сопротивление легированного кремния, как и других полупроводников, имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что он проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть кристалла проводит наибольший ток, вызывая увеличение его проводимости, что затем заставляет его снова становиться все более горячим, пока устройство не выйдет из строя изнутри. Процесс теплового разгона, связанный с вторичным пробоем, после запуска происходит почти мгновенно и может катастрофически повредить корпус транзистора. General Electric (1962). Руководство по транзистору (6-е изд.). п. 12. Bibcode: 1964trma.book ….. C. «Если при анализе транзистора использовать принцип нейтральности пространственного заряда, очевидно, что ток коллектора регулируется с помощью положительного заряда (концентрации дырок) в области базы. … Когда используется транзистор на более высоких частотах основным ограничением является время, необходимое носителям для диффузии через базовую область .
