Принцип действия биполярного транзистора: ⚡️Устройство и принцип работы биполярного транзистора

5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода — плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа — электронами.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода — обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 — 25 мкм < Lб.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n-переходы, и общие токи равны нулю.

Транзистор p-n-p-типа в активном режиме включения показан на рис. 5.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный — в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток IЭ, а через коллекторный переход – малый обратный ток коллектора.

Основные носители заряда в эмиттере – дырки – диффундируют из-за разности концентрации в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – дырочную Iэp и электронную Iэn: Iэ= Iэp+ Iэn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток Iэp преобладает над электронным током из базы Iэn, т.е. Iэp >> Iэn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов Iб ≈ Iэp.

1

5.      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.

Биполярный транзистор — принцип работы, типы и преимущества

Биполярный транзистор (BJT) — это тип транзистора и полупроводникового прибора с тремя выводами, который имеет два p-n перехода. Они в основном используются в качестве усилителей или управляемых током устройств в электронных схемах. И электроны, и дырки будут действовать как носители заряда в транзисторе с биполярным переходом. Обычно транзисторы BJT не требуют внешних источников постоянного тока. В этой статье подробно описаны транзисторы и их типы, характеристики и принципы работы BJT и типы BJT.

Что такое транзистор и его типы?

Транзисторы представляют собой полупроводниковые устройства, которые проводят и сопротивляются электрическому току и напряжению. Обычно транзисторы действуют либо как переключатель, либо как усилитель. Основная функция транзисторов заключается в регулировании и контроле протекания тока в электронной цепи. Транзисторы в основном делятся на три типа на основе p-n переходов. Это транзисторы с однополярным переходом, транзисторы с биполярным переходом и полевые транзисторы.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

Характеристики и типы биполярных транзисторов

Обычно биполярные транзисторы имеют три клеммы и два p-n перехода. Три терминала, а именно, база, эмиттер и коллектор. В BJT только меньший ток будет протекать между выводами базы и эмиттера, а больший ток будет протекать между выводами коллектора и эмиттера.

В зависимости от легирования BJT в основном подразделяются на два типа. Это транзисторы PNP и транзисторы NPN.

(Изображение скоро будет загружено)

BJT подразделяются на два типа: транзисторы PNP и транзисторы NPN. Давайте разберемся в этих типах транзисторов подробно.

Транзистор NPN

В транзисторах NPN один полупроводник p-типа помещается между двумя полупроводниками n-типа и образует два p-n перехода. Эти NPN-транзисторы широко используются во многих электронных устройствах, в основном для усиления слабых сигналов. В NPN-транзисторах ток обычно течет от эмиттера к области коллектора.

(Изображение будет загружено в ближайшее время)

PNP-транзистор 

В PNP-транзисторах один полупроводник n-типа зажат между двумя полупроводниками p-типа и создает два p-n перехода. Транзисторы PNP в основном используются для управления током, протекающим по цепи. Обычно p-n переход считается диодом. Итак, транзисторы выглядят как два последовательно соединенных кристаллических диода. В транзисторе PNP левый диод известен как диод эмиттер-база. Правый диод известен как диод коллектор-база.

Конфигурации транзисторов с биполярным переходом

Биполярные транзисторы могут быть сконфигурированы в три типа: конфигурация с общим коллектором, конфигурация с общей базой и конфигурация с общим эмиттером.

В характеристиках с общей базой база транзистора заземлена, тогда эмиттер становится входом, а коллектор — выходом.

Входная характеристика CB \[\Delta V_{CB}\] при постоянной: Rin = \[\frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_{E}}\]

Выходная характеристика CB \ [\Delta I_{E}\] при постоянной: Rout =\[\frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_{B}}\]

Характеристики трансформатора тока выключателя \[\Delta V_{CB}\] при постоянной величине: 𝞪 = \[\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{B}}\]

(изображение будет Скоро будет загружено)

В общих коллекторных характеристиках коллектор транзистора заземлен, тогда база становится входом, а эмиттер — выходом.

Входные характеристики ВЦ \[\Delta V_{CB}\] при постоянной:  Rin = \[\frac{\Delta V_{CB}}{\Delta I_{B}}\]

Выходные характеристики ВЦ \ [\Delta I_{B}\] при постоянной: Rout = \[\frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_{B}}\]

Характеристики трансформатора тока CC \[\Delta V_{CE}\] при постоянной величине: 𝞪 = \[\frac{\Delta I_{B}}{\Delta I_{E}}\]

(изображение будет скоро будет загружено)

В характеристиках с общим эмиттером эмиттер транзистора заземлен, тогда база становится входом, а коллектор — выходом.

Входные характеристики ВЦ \[\Delta V_{CE}\] при постоянной: Rin = \[\frac{\Delta V_{BE}}{\Delta I_{B}}\]

Выходные характеристики ВЦ \ [\Delta I_{B}\] при постоянной: Rout = \[\frac{\Delta V_{CE}}{\Delta I_{E}}\]

Характеристики трансформатора тока CC \[\Delta V_{CB}\] при постоянной: 𝞪 =\[\frac{\Delta I_{C}}{\Delta I_{B}}\]

(изображение будет Скоро будет загружено)

Принцип работы BJT

Транзистор NPN представляет собой смещенную активную область. Здесь переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Таким образом, ширина обедненной области перехода база-эмиттер мала по сравнению с шириной перехода коллектор-база. Смещенный вперед BE-переход уменьшит барьерный потенциал и поможет току течь от эмиттера к базе.

 

Обычно база NPN-транзисторов тонкая и слегка легированная, поэтому в ней меньше отверстий по сравнению с электронами в эмиттере. Рекомбинация дырок в базе с электронами в эмиттерной области будет составлять протекание тока базы. Обычно направление обычного тока остается противоположным потоку электронов.

Тогда оставшееся большое количество электронов в эмиттере пройдет через коллекторный переход с обратным смещением в виде коллекторного тока.

 

Согласно токовому закону Кирхгофа ток эмиттера равен сумме тока коллектора и тока базы. Как правило, ток базы IB остается небольшим по сравнению с током эмиттера IE и током коллектора IC

IE = IC + IB

Единственным существенным различием между транзисторами NPN и PNP являются их основные носители заряда. Основными носителями заряда NPN-транзисторов являются электроны, а основными носителями заряда PNP-транзисторов являются дырки. Все остальные принципы работы и их коэффициент легирования останутся одинаковыми как для транзисторов NPN, так и для PNP.

 

В транзисторе, если ток коллектора увеличивается, температура перехода коллектора будет увеличиваться. Таким образом, сопротивление, создаваемое коллектором, также уменьшается. В результате ток коллектора увеличивается. Это явление известно как тепловая полоса в транзисторах BJT.

Преимущества транзисторов BJT

1. BJT имеют лучший коэффициент усиления по напряжению и высокую плотность тока

2. НО также имеют низкое прямое напряжение

3. BJT может работать в применении с низкой и высокой мощностью

4. BJT. Транзистор BJT низкий

5. Излучение транзисторов BJT эффективно

6. Транзисторы BJT будут производить сильный шум.

7. Имеют низкую частоту переключения

8. BJT имеет сложное управление

9. Время переключения BJT медленное по сравнению с высокой частотой переменного тока и напряжения

принцип работы, типы и характеристики в деталях.

Биполярный переходной транзистор (BJT) | Semiconductor Theory

Транзистор с биполярным переходом (BJT) | Теория полупроводников 9Транзисторы 0142 NPN (и PNP).

NPN-транзистор можно грубо описать как состоящий из слоя полупроводника P-типа, «зажатого» между двумя кусками Полупроводник N-типа. (Транзистор PNP имеет противоположное расположение). В этом разделе мы опишем принципы работы транзистора NPN. (PNP имеет тот же принцип работы, за исключением того, что роли носителей заряда меняются местами, а приложенные напряжения имеют противоположные значения. полярность).

Термин биполярный относится к тому факту, что в этом типе транзистора в протекании тока участвуют два типа основных носителей заряда (т. е. электроны и дырки).

На рисунке ниже показана схема транзистора NPN вместе с символом схемы. Три различные области транзистора называются эмиттер, база и коллектор. Очень важно отметить, что диаграмма не отражает фактических сравнительных размеров каждого региона/слоя. внутри транзистора. На самом деле разница в размерах, а также разница в уровнях легирования между каждой областью имеют решающее значение для функция устройства.

Прямое смещение перехода база-эмиттер.

Если приложить внешнее напряжение для прямого смещения перехода база-эмиттер, то, как и ожидалось, через него потечет ток. Однако излучатель гораздо более сильно легирована, чем базовая область. Следовательно, ток, который течет в базе (Ib) (и через переход база-эмиттер) ограничивается нижним легированием базовой области.

Базовый коллекторный переход с обратным смещением.

Можно видеть, что приложенная полярность вызывает обратное смещение перехода база-коллектор. Базовый ток все еще течет из-за прямого смещения базы. эмиттерный переход. Он состоит из дырок, протекающих в базе, и электронов, протекающих в эмиттере, которые рекомбинируют на стыке. Однако большой количество электронов из эмиттера, проносится через базу положительным напряжением коллектора, прежде чем они получат возможность столкнуться а затем рекомбинировать с отверстиями. Это связано с очень низкой плотностью отверстий в базовой области и тем фактом, что она очень тонкая. Конечным результатом является то, что большое количество электронов, инжектированных в эмиттер, «проносится» по базе положительным напряжением коллектор, прежде чем они смогут столкнуться и рекомбинировать с отверстием. Это приводит к протеканию большого тока между коллектором и эмиттером.

Работа транзистора.

Выше мы описали функцию транзистора с точки зрения факторов, влияющих на поведение подвижных носителей заряда в базе, эмиттере и коллекторские районы. Теперь мы рассмотрим обзор работы транзистора с точки зрения обычного протекания тока.

Напряжение базы-эмиттера Vbe вызывает протекание тока (Ib) в базу транзистора. Этот ток обеспечивает напряжение между коллектором и эмиттер (Vce), чтобы произвести ток (Ic), который течет в коллектор. Из-за различных уровней легирования (как описано выше) и большего потенциала тока коллектора Ic намного больше, чем ток базы Ib.
В соответствии с законом тока Кирхгофа ток, вытекающий из эмиттера (Ie), будет суммой токов базы и коллектора (т.е. Ie = Ib + Ic).
Конечным результатом является то, что в правильно смещенном транзисторе небольшой ток базы Ib вызывает протекание гораздо большего тока коллектора Ic.
(Мы можем думать, что Ib эффективно контролирует сопротивление, «испытываемое» Vce.)

При сохранении Vce постоянным, если Ib увеличивается, Ic увеличивается (до максимального значения, достигаемого, когда транзистор «полностью проводит» (т. е. когда он оказывает незначительное сопротивление Vce)). Если Ib уменьшается, то Ic уменьшается (пока Ib в конце концов не уменьшает Ic до нуля).

Это приводит к двум приложениям для транзистора.

1. Транзистор как коммутационное устройство .
   Базовый ток можно переключать от нуля до значения, при котором транзистор полностью проводит ток. Это вызовет сопротивление «Видеть» Vce, чтобы перейти от фактически разомкнутой цепи к замкнутой цепи. т. е. транзистор будет действовать как переключатель (управляемый Ib и контроль Ic).
2. Транзистор как усилитель сигнала .
   Если базовый ток установлен в середине рабочего диапазона, изменение базового тока приведет к пропорциональному изменению ток коллектора при условии, что ток базы не приближается к верхнему и нижнему пределам рабочего диапазона.