Структура биполярного транзистора: Структура биполярного транзистора | Электроника

Содержание

Структура биполярного транзистора | Электроника

Транзисторы подразделяют на два основных класса: биполярные и полевые.

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодейст-вующими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Имеется две разновидности биполярных транзисторов: бездрейфовые (диффузионные) и дрей-фовые – они отличаются принципом работы. Рассмотрим бездрейфовые биполярные транзисторы.

Конструктивно биполярный транзистор представляет собой пластину монокристалла полупроводника с электропроводностью р- или n-типа, по обеим сторонам которой вплавлены (или внесены другим образом) полупроводники, обладающие другим типом электропроводности. На границе раздела областей с разным типом электропроводности образуются p-n- или n-p-переходы. Каждая из областей, называемых эмиттером 1, коллектором 2 и базой 3, снабжается омическим контактом, от которого делается вывод Э, К и Б, соответственно (рис. 1.25). База биполярного транзистора – средняя область в p-n-p- (или n-p-n-) структуре, характеризуется наименьшей концентрацией примесей, посредством омического контакта соединена с выводом, называемым базой (Б).

Эмиттер – крайняя область в p-n-p- (или n-p-n-) структуре биполярного транзистора, используемая для инжекции (впрыскивания) носителей в область базы, посредством омического контакта соединена с выводом, называемым эмиттер (Э). Коллектор – крайняя область в p-n-p- (или n-p-n-) структуре биполярного транзистора, используемая для экстракции (втягивания) носителей из области базы; посредством омического контакта соединена с выводом, называемым коллектор (К). Транзистор укрепляют на кристаллодержателе и помещают в герметизированный корпус, в дно которого через стеклянные изоляторы проходят выводы. Корпус может быть металлическим, пластмассовым или стеклянным.

Рис. 1.25. Биполярный транзистор

При рассмотрении процессов, происходящих в транзисторе, его удобно представлять плоскос-тными структурными схемами. Изображенный на рис. 1.25 транзистор в виде структурной схемы показан на рис. 1.26, а. Он имеет структуру p-n-р. На рис. 1.26, б показан транзистор с другим чередованием областей (n-p-n), на рис. 1.26, в, г – соответствующие структурным схемам условные обозначения транзисторов. Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения выводов к источнику питания противоположная. Так как транзистор – симметричная структура, то любая крайняя область могла бы быть как эмиттером, так и коллектором. Однако в реальных конструкциях исходя из обеспечения лучшей работы транзистора область коллектора делается большей по размерам, чем область эмиттера. Из тех же соображений активная толщина базы делается небольшой (меньше диффузионной длины неосновных носителей). Выводы от каждой из областей называются так же, как и области: эмиттерный, базовый, коллекторный. Переход эмиттер-база называется эмиттерным, коллектор-база – коллекторным. Назначение эмиттера – инжекция (вспрыскивание) в область базы не основных для нее носителей заряда, для чего область эмиттера выполняют более насыщенной основными носителями (более низкоомной), чем область базы. Назначение коллектора – экстракция (втягивание) носителей из базы, в которой различают три области: активную (между эмиттером и коллектором, через нее приходят носители заряда в активном режиме работы тран-зистора), пассивную (между эмиттером и выводом базы) и периферическую (за выводом базы).

Транзисторы классифицируют по различным признакам: по мощности – малой, средней, большой; по диапазону рабочих частот – низких, средних, высоких; по методу изготовления – сплавные, микросплавные, диффузионные, планарные, мезаструктуры.

Рис. 1.26. Плоскостные структурные схемы и условные обозначения транзисторов

Структура и принцип работы биполярного транзистора — Студопедия

Уравнения и эквивалентные схемы биполярного транзистора

Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Структура и принцип работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы

План лекции:

Биполярным транзистором

(БТ) называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-пере­ходами, созданными в объёме монокристалла полупроводника. В зависимости от материала полупроводника различают кремниевые и германиевые транзисторы. Два p-n-пере­хода разделяют монокристалл на три легированные примесями области, называемые эмиттером, базой и коллектором и имеющие соответствующие выводы. По виду примесей различают транзисторы типов n-p-n и p-n-p (рис. 6.1). Приборы типа n-p-n в настоящее время используют чаще, потому что по сравнению с транзисторами p-n-p типа они имеют лучшие характеристики в области высших частот из-за большей подвижности дырок и большее усиление при одной и той же концентрации примесей и одинаковой геометрии.

Биполярным транзистор называют потому, что его работа зависит от носителей заряда обеих полярностей. Весьма часто БТ называют просто транзистором от английского transfer resistor. По смыслу это означает, что транзистор изменяет (трансформирует) величину сопротивления, согласуя сопротивление нагрузки с выходным сопротивлением предыдущего каскада (узла) схемы.

Рис. 6.1. Структуры и условные графические обозначения биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов


Усилительные свойства транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. БТ можно использовать в качестве усилителя тока, напряжения или мощности.

Электроды или выводы транзистора – проводники, которые соединены с p- и n-областями транзистора для обеспечения возможности включения транзистора в электрическую цепь и управления его параметрами.

Эмиттер (излучатель) – область транзистора, которая является источником (впрыскивателем, инжектором) зарядов в базу при воздействии внешнего электрического напряжения.

База – средняя область транзистора − элемент, управляющий величиной тока, протекающего через транзистор.

Коллектор – область транзистора, предназначенная для сбора (извлечения) носителей заряда, созданных эмиттером и проходящих через базу.

Биполярный транзистор является несимметричным прибором, так как площади эмиттерного и коллекторного

p-n-переходов различны. В частности площадь эмиттерного перехода меньше коллекторного. Кроме того, эмиттерная и коллекторная области имеют разную концентрацию атомов примеси. Степень легирования эмиттера намного больше, чем у коллектора. Структура реального транзистора p-n-p типа приведена на рис. 6.2.


Рис. 6.2. Вариант конструкции транзистора типа n-p-n

Процессы в базовой области обеспечивают взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов друг с другом и определяют основные свойства транзистора. Чем меньше толщина базы, тем сильнее взаимодействие эмиттера с коллектором.

В зависимости от распределения атомов примеси в базе различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы.

Бездрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена равномерно. В таком транзисторе внутри базы отсутствует электрическое поле, и носители заряда из-за разной концентрации на границах базы движутся только за счёт диффузии.

Дрейфовым называют биполярный транзистор, у которого примесь в базе распределена неравномерно. В этом случае электрическое поле внутри базы вызывает появление дрейфового движения носителей заряда дополнительно к диффузионному.

Лекция 6. Структура и устройство биполярных транзисторов. Принцип действия биполярного транзистора и его основные параметры

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Подробнее

Лекция 11. Электронно-дырочный переход

Лекция 11. Электронно-дырочный переход Лекция 11. Электронно-дырочный переход Контакт двух примесных полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n-переходом. Обычно он создается

Подробнее

2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 2.2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область эмиттером (Э), а другая коллектором (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе.

Подробнее

Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 21 Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора 3. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов 3. Мощные биполярные транзисторы 4. Выводы 1. Устройство

Подробнее

Нелинейные сопротивления «на ладони»

Нелинейные сопротивления «на ладони» Нелинейные сопротивления «на ладони» Структурой, лежащей в основе функционирования большинства полупроводниковых электронных приборов, является т.н. «p-n переход». Он представляет собой границу между двумя

Подробнее

Изучение работы p-n перехода

Изучение работы p-n перехода НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЛ техники эксперимента МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОМУ ПРАКТИКУМУ ПО КУРСУ «ФИЗИКА» www.rib.ru e-mail: [email protected] 010804. Изучение работы -

Подробнее

) j 1 и j з - j 2 - j2 - j 2. V2. j2 -

) j 1 и j з - j 2 - j2 - j 2. V2. j2 - ТИРИСТОРЫ ПЛАН 1. Общие сведения: классификация, маркировка, УГО. 2. Динистор: устройство, принцип работы, ВАХ, параметры и применение. 3. Тринистор. 4. Симистор. Тиристор - это полупроводниковый прибор

Подробнее

Изучение работы биполярного транзистора

Изучение работы биполярного транзистора Специализированный учебно-научный центр - факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, Школа имени А.Н. Колмогорова Кафедра физики Общий физический практикум Лабораторная работа 3.7 Изучение работы биполярного транзистора

Подробнее

Собственный полупроводник

Собственный полупроводник Собственный полупроводник Для изготовления полупроводников применяют в основном германий и кремний, а также некоторые соединения галлия, индия и пр. Для полупроводников характерен отрицательный температурный

Подробнее

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход Кафедра экспериментальной физики СПбПУ Электронно-дырочный переход Методические указания к лабораторному практикуму по общей физике СПбПУ 2014 Лабораторная работа 2.08 «Электронно-дырочный переход» 1 http://physics.spbstu.ru

Подробнее

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И

ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского Радиофизический факультет Кафедра электроники Отчет по лабораторной работе: ИЗМЕРЕНИЕ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ И ДИФФУЗИОННОЙ ДЛИНЫ НЕРАВНОВЕСНЫХ НОСИТЕЛЕЙ

Подробнее

СБОРНИК ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ

СБОРНИК ТЕСТОВЫХ ЗАДАНИЙ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ» Кафедра радиоэлектроники

Подробнее

1.1 Усилители мощности (выходные каскады)

1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Лекция 9 Тема 9 Выходные каскады 1.1 Усилители мощности (выходные каскады) Каскады усиления мощности обычно являются выходными (оконечными) каскадами, к которым подключается внешняя нагрузка, и предназначены

Подробнее

1. Общие сведения о полупроводниках

1. Общие сведения о полупроводниках Тема 14. Полупроводниковые приборы. 1. Общие сведения о полупроводниках Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов

Подробнее

8. Интегральные логические элементы

8. Интегральные логические элементы 8. Интегральные логические элементы Введение В логических элементах биполярные транзисторы могут использоваться в трёх режимах: режим отсечки оба p-n перехода транзистора закрыты, режим насыщения оба p-n

Подробнее

УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ

УНИПОЛЯРНЫЕ (ПОЛЕВЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ УНОЛЯРНЫЕ (ОЛЕВЫЕ) ТРАНЗСТОРЫ Униполярными называются транзисторы, в которых для создания тока используются носители заряда только одного знака. Эти транзисторы делятся на два основных класса: 1) Транзисторы

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзистор - это полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов По материалу полупроводника

Подробнее

Одновибраторы на дискретных элементах.

Одновибраторы на дискретных элементах. 11.3. ОДНОВИБРАТОРЫ Одновибраторы используются для получения прямоугольных импульсов напряжения большой длительности (от десятков микросекунд до сотен миллисекунд), в качестве устройств задержки, делителей

Подробнее

Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники

Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники Лекция 4 Ток в вакууме. Полупроводники Электрический ток в вакууме. Вакуумный диод Если два электрода поместить в герметичный сосуд и удалить из сосуда воздух, то, как показывает опыт, электрический ток

Подробнее

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярный транзистор прибор, состоящий из трех полупроводниковых областей с чередующимся типом проводимости (np-n или p-n-p) с двумя p n-переходами, пригодный для усиления, генерации

Подробнее

Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ

Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ 29 Лекция 4 МОП-ТРАНЗИСТОРЫ План 1. Классификация полевых транзисторов 2. МОП-транзисторы 4. Конструкция и характеристики мощных МОП-транзисторов 4. Биполярные транзисторы с изолированным затвором 5. Выводы

Подробнее

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 2.4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевой транзистор (ПТ) это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал,

Подробнее

Основы электроники 1/45

Основы электроники 1/45 Основы электроники 1/45 Планетарная модель атома (Бор, Резерфорд) предусматривает наличие ядра и вращающихся на определенных (разрешенных) орбитах вокруг него электронов. Под действием внешних факторов

Подробнее

Оглавление. Дшпература... 44

Оглавление. Дшпература... 44 Оглавление Предисловие редактора Ю. А. Парменова...11 Глава I. Основные сведения из физики полупроводников... 13 1.1. Элементы зонной теории... 13 1.2. Собственные и примесные полупроводники... 18 1.3.

Подробнее

Вариант 1. Вопрос 1. Вопрос 2

Вариант 1. Вопрос 1. Вопрос 2 Вариант 1 Вопрос 1 Диффузионный ток через p-n переход обусловлен: приложенным внешним электрическим полем разностью концентраций основных носителей заряда в p и n областях влиянием температуры отсутствием

Подробнее

П13, П13А, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А

П13, П13А, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А П13,, П13Б, П14, П14А, П14Б, П15, П15А Германиевые плоскостные транзисторы типа П13,, П14, П15 предназначены для усиления электрических сигналов промежуточной частоты. Транзистор П13Б предназначен для

Подробнее

Элементы физики твердого тела

Элементы физики твердого тела Новосибирский государственный технический университет Элементы физики твердого тела Кафедра прикладной и теоретической физики Суханов И.И. Предметный указатель Дискретные уровни энергии электрона в атоме

Подробнее

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Область транзистора, расположенную между p-n переходами, называют базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы соответствующий p-n переход наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.

Биполярные транзисторы являются основными активными элементами биполярных ИМС. Транзисторы n-p-n типа используются гораздо чаще, чем p-n-p, так как у n-p-n структуры проще обеспечить необходимые характеристики.

Планарно-эпитаксиальный транзистор со скрытым слоем и изоляциейp-n-перехода является наиболее широко распространённой разновидностью биполярного транзистора ИМС. Его физич. структура дана на рис.1,а одномерное распределение легирующих примесей на рис. 2.

Рис. 1 Физическая структура n-p-n интегрального транзистора

со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

Взаимодействие междуp-n-переходами будет существовать, если толщина области между переходами (толщина базы) будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае носители заряда, инжектированные через один из p-n-переходов при его смещении в прямом направлении, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным смещением, и изменить его ток. Таким образом, взаимодействие выпрямляющих электрических переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.

Рис. 2 Распределение примесей в активной области транзистора.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

  1. режим отсечки – оба электронно-дырочных перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

  2. режим насыщения – оба электронно-дырочных перехода открыты;

  3. активный режим – один из электронно-дырочных переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование, переключение, и т.п.).

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. Чтобы рассмотреть работу транзистора на постоянном токе, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем. Это дает возможность получить статические характеристики и параметры БП – соотношения между его постоянными токами и напряжениями.

Существенно снизить последовательное сопротивление коллектора удается, перейдя к конструкции транзистора типа n-p-n со скрытым слоем. Сопротивление rк пос. такого транзистора становится пренебрежимо малым, благодаря чему эти транзисторы используются в составе биполярных ИС.

Ниже представлен еще один вариант выполнения БТ, который также часто применяется в ИМС:

Рис.3 Поперечное сечение типичного n-p-n -транзистора, входящего в состав ИС.

Теоретически профили распределения примесей в активной области данного прибора описываются следующим графиком:

Рис.4 Профили распределения примесей под эмиттерным переходом.

Глубина проникновения примеси вглубь полупроводника определяется температурой, при которой происходит диффузия примесей, так как коэффициент диффузии сильно зависит от температуры. Равномерность распределения примеси по глубине слоя зависит от длительности действия факторов диффузии. Все эти факторы определяются технологией производства биполярного транзистора. Следует отметить, что тяжело добиться концентрации примесей выше

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

П л а н л е к ц и и

6.1. Биполярные транзисторы.

6.2. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения.

6.1. Биполярныетранзисторы.

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p–n-перехода, называется биполярным транзистором.

6.2. Структураипринципдействиябиполярноготранзистора. Схемывключения(ОЭ, ОБ, ОК). СтатическиеВАХи параметрыдляосновныхсхемвключения.

Биполярный транзистор был изобретен американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1948 г. Они вместе с американским физиком Уильямом Шокли в 1956 г. были награждены Нобелевской премией за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.

Конструкция первого биполярного транзистора (БТ) приведена на рис. 6.1. В пластинку монокристаллического германия n-типа 1 с силой вдавливался пластмассовый треугольник 2, обернутый золотой фольгой 3. На вершине треугольника фольга разрезалась бритвой. В месте соприкосновения фольги с поверхностью пластины образуются области p- типа: эмиттер 4 и коллектор 6. Между ними располагается база 5. На рис. 6.1, б приведено изображение первого промышленного биполярного транзистора, где 1 – контакт эмиттера; 2 – контакт коллектора; 3 – корпус; 4 – изолирующая прокладка; 5 – контактная проволочка; 6 – кристалл германия; 7 – контакт к базе. Эмиттерный и коллекторный переходы изготавливались вплавлением в германиевый кристалл тонких проволочек. Диаметр транзистора составлял 1 см, высота 4 см.

Устройство, обозначение и включение биполярных транзисторов n–р–п- и p–n–р-типа в активном режиме (режим усиления) показано на рис. 6.2.

Биполярным транзистор называется потому, что в нем используются носители заряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от английского transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низкоомную

 Электроника. Конспект лекций

-94-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

входную цепь эмиттера с высокоомной выходной цепью коллектора, третий электрод – база – является управляющим.

Основными материалами для изготовления биполярных транзисторов служат кремний, германий и арсенид галлия. По технологии изготовления они делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

 

 

1

2

2

3

3

 

 

 

4

6

4

 

5

1

5

 

6

 

n – Ge

 

 

 

7

 

 

 

 

а

 

 

б

Рис. 6.1. Конструкция первого биполярного транзистора (а) и первый промышленный образец (б)

э

 

 

 

к

 

n–p–n

n

 

p

n

 

э

к

Еэ

 

б

Ек

 

 

 

+

 

+

 

 

э

 

 

 

к

 

p–n–p

 

 

 

э

к

p

 

n

p

 

 

 

 

 

Еэ

 

б

Ек

 

 

 

+

+

 

 

 

Рис. 6.2. Устройство, условное обозначение и включение биполярных транзисторов в активном режиме

 Электроника. Конспект лекций

-95-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей. В соответствии с этим их можно разделить на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (3–30 МГц), высокочастотные (30–300 МГц), сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По мощности их можно разделить на маломощные (не более 0,3 Вт), средней мощности (0,3–1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

Взависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой действия входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения БТ: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК), называемая также эмиттерным повторителем.

Принцип работы, характеристики и параметры биполярных транзисторов удобно рассматривать на примере широко используемой на практике схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 6.3). Эта схема дает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. На схеме

показаны включенные в цепь базы источник питания Еб с резистором Rб для задания режима работы транзистора по постоянному току и источник питания Ек цепи коллектора с нагрузочным резистором Rк.

Взависимости от того,

какие напряжения

действуют

 

 

 

 

на

переходах,

различают

3

 

 

 

режима работы транзистора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– активный режим, или

 

 

режим

усиления,

когда

 

Uкэ

 

эмиттерный переход смещен в

 

+ Uбэ

+

 

прямом

направлении,

а

Еб

Ек

коллекторный в обратном;

 

 

 

 

 

режим

насыщения,

 

 

когда оба перехода смещены в

 

 

 

 

прямом направлении;

 

 

 

 

 

 

– режим отсечки, когда

 

 

 

 

оба

перехода

смещены

в

Рис. 6.3. Включение биполярного транзистора

обратном направлении.

 

 

 

n–р–п-типа по схеме с общим эмиттером

 

Принцип

 

работы

 

 

 

 

 

 

 

биполярного

транзистора

 

 

 

 

заключается в том, что незначительный по величине ток базы Iб,

возникающий при подаче прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер – база,

вызывает значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектора Iк. Это

обусловлено

сильной инжекцией электронов из эмиттера, которые

втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода. Ток коллектора при этом определяется выражением

 Электроника. Конспект лекций

-96-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

где βст – статический коэффициент передачи тока базы, значительно превышающий по величине единицу.

Ток коллектора Iк связан с напряжением на переходе база – эмиттер уравнением Эберса – Молла:

Iê = Iê0 (exp(Uáý /ϕT ) −1),

(6.2)

где Iк0 – обратный ток коллекторного перехода, φТ – температурный потенциал, составляющий для кремния при температуре Т = 300 К примерно 26 мВ. Токи эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношением

Iэ = Iк + Iб.

 

Iб, мкА

Iк, мА

Режим

 

 

 

 

насыщения

 

 

 

 

 

 

 

60

Uкэ = 0

 

 

 

80 мкА

 

 

 

 

Uкэ > 0

 

 

 

 

 

10

 

 

60 мкА

 

 

Активный

 

4

 

 

 

40 мкА

 

 

 

режим

 

2

 

5

 

 

20 мкА

 

 

 

 

 

 

 

Режим отсечки

Iб = 0

 

 

 

 

0

500 Uбэ, мВ

 

0 Uкэ.нас 10

20

Ек 30 Uкэ, В

 

а

 

 

б

 

Рис. 6.4. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n-типа в схеме с общим эмиттером

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных и выходных статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 6.4).

Входные характеристики Iб = f(Uбэ)|Uкэ (рис. 6.4, а) снимаются при постоянных выходных напряжениях коллектор-эмиттер Uкэ = const. При Uкэ = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкэ > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения Uбэ.пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

Семейство выходных ВАХ Iк = f(Uкэ)|Iб (рис. 6.4, б) снимается при различных токах базы Iб = const.

 Электроника. Конспект лекций

-97-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

На вольт-амперных характеристиках выделены области, соответствующие работе транзистора в активном режиме, в режимах насыщения и отсечки.

Биполярные транзисторы характеризуются большим числом различных параметров (статических, дифференциальных, физических) и соответствующих им линейных и нелинейных эквивалентных схем.

Одним из широко используемых на практике параметров БТ является определенный выше статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером βст.

При представлении БТ как линейного активного четырехполюсника используются несколько систем характеристических параметров, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения измерения параметров и практического их использования в инженерных расчетах. Как правило, в справочных данных транзисторов приводятся значения так называемых смешанных или гибридных h-параметров – h21, h22, h31, h32.

Параметр h21 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения входного напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллекторэмиттер:

h21 = ( Uбэ/ΔIб)|Uкэ = const.

(6.3)

Он имеет смысл и размерность дифференциального входного сопротивления транзистора в режиме малого сигнала.

Параметр h31 в схеме с общим эмиттером определяется как приращение тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер:

h31 = ( Iк/ΔIб)|Uкэ = const.

(6.4)

Он называется дифференциальным коэффициентом усиления транзистора по току или коэффициентом передачи по току. Значения дифференциального h31 и статического βст коэффициентов усиления по току достаточно близки.

Параметр h22 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению напряжения коллектор-эмиттер при фиксированном значении тока базы:

h22 = ( Uбэ/ Uкэ)|Iб = const.

(6.5)

Он характеризует влияние выходной цепи транзистора на

входную

цепь вследствие имеющейся внутренней обратной связи между ними и называется коэффициентом обратной связи по напряжению.

Параметр h32 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение

приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению напряжения

 

коллектор-эмиттер при фиксированном значении тока базы:

 

 Электроника. Конспект лекций

-98-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

h32 = (ΔIк/ Uкэ)|Iб = const.

(6.6)

Он имеет смысл и размерность дифференциальной выходной проводимости, обратной выходному сопротивлению транзистора в режиме малого сигнала.

Указанные параметры биполярных транзисторов могут быть легко определены на основе их ВАХ.

Коэффициент усиления по напряжению, согласно определению, равен

отношению выходного и входного напряжений:

 

kU = (ΔUкэ/ Uбэ).

(6.7)

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а напряжение коллектор-эмиттер может достигать величины единиц или десятков вольт. Поэтому kU может принимать значение от десятков до сотен.

В соответствии со схемой рис. 6.4 могут быть построены и измерены динамические входные и выходные характеристики каскада Iк = f(Uкэ)|Ек = = const, Iб = f(Uбэ)|Ек = const. Выходная динамическая характеристика описывается уравнением Iк = (Ек – Uкэ)/Rк и называется также нагрузочной прямой или нагрузочной характеристикой (рис. 6.4, б). Динамические характеристики используются для выбора режима работы транзистора по постоянному току и графического определения значений его токов и напряжений при приложении входного переменного напряжения или тока.

Перейдем к рассмотрению характеристик и параметров транзистора включенного по схеме с общей базой (рис. 6.5). Используя соотношения между токами и напряжениями БТ в схемах включения с общим эмиттером и

собщей базой: Iэ = Iк + Iб, Uкб = Uкэ – Uбэ, можно по ВАХ транзистора в схеме

собщим эмиттером построить его ВАХ в схеме включения с общей базой. Входные характеристики устанавливают связь между током эмиттера и

напряжением эмиттер-база при фиксированных значениях напряжения коллектор-база Iэ = f(Uэб)|Uкб = const. При Uкб = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкб > 0 характеристика сдвигается влево, так как протекает небольшой начальный ток эмиттера Iэн. Характеристики для различных Uкб расположены близко друг к другу, так как основное падение напряжения Uкб сосредоточено на коллекторном переходе.

Семейство выходных ВАХ, показывающее зависимость выходного тока коллектора от напряжения коллектор-база, снимается при различных токах эмиттера Iк = f(Uкб)|Iэ = const (рис. 6.6, б).

 Электроника. Конспект лекций

-99-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

 

 

Uкб

 

Uэб

 

 

 

 

 

 

+

 

Еб

 

Ек

Рис. 6.5. Включение биполярного транзистора n–р–п-типа по схеме с общей базой

 

 

Iэ, мА

 

 

Iк, мА

 

 

5

 

Uкб

= 10

 

 

 

5мА

 

Uкб =0

4

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

3мА

2

 

 

 

2

 

 

2мА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Iэ=0

 

 

 

 

Iк0

 

1мА

 

 

 

 

 

 

 

0

0,2

0,4 Uэб, В

-0,8 0

10

20 Uкб, В

 

 

 

а

 

б

 

 

Рис. 6.6. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n-типа в схеме с общей базой

Соответствующие этой схеме включения h-параметры транзистора определяются следующим образом:

h21(об) = ( Uэб/ΔIэ)|Uкб = const; h22(об) = ( Uэб/ΔUкб)|Iэ = const; h31(об) = ( Iк/ΔIэ)|Uкб = const; h32(об) = (ΔIк/ Uкб)|Iэ = const.

В табл. 6.1. приведены значения h-параметров для схем включения ОБ

и ОЭ.

 Электроника. Конспект лекций

-100-

может достигать десятков – сотен килоом.

Rвх = Uвх/Iб = (Uбэ+Uвых) / Iб. (6.8)

Отношение Uбэ/Iб есть входное сопротивление схемы с общим эмиттером, которое может достигать значения единиц килоом. А так как выходное напряжение в десятки раз больше напряжения база-эмиттер, то и входное сопротивление в десятки раз превышает сопротивление схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОК почти такой же, как в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно, для данной схемы можно записать

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

 

 

Таблица 6.1

 

Значения h-параметров для схем включения ОБ и ОЭ

 

 

 

 

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

h21

Сотни ом – единицы килоом

Единицы – десятки ом

 

h22

10–3–10–4

10–3–10–4

h31

Десятки – сотни

0,95–0,98

1/h32

Единицы – десятки килоом

Сотни килом – единицы мегаом

 

Из таблицы следует, что у обоих схем включения есть существенный недостаток – малое входное сопротивление. Именно для преодоления этого недостатка, применяется схема включения с общим коллектором (рис. 6.6).

 

 

 

 

 

 

 

Особенностью схемы ОК

 

 

 

 

 

 

является то, что сопротивление

 

 

 

нагрузки

включено

в

цепь

 

 

 

 

 

эмиттера

 

и

падение

 

 

 

 

 

напряжения, возникающее

на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сопротивлении

 

нагрузки,

+

Uбэ

 

 

 

+ Ек

полностью передается на вход,

Еб

 

 

т. е.

существует

сильная

 

 

 

 

Uвы

отрицательная

обратная

связь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда

вытекает

 

второе

 

 

 

 

 

 

название

данной

схемы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

эмиттерный

повторитель.

Рис. 6.6. Включение биполярного транзистора

Входное

напряжение

схемы

является

суммой напряжений

n–р–п-типа по схеме с общим коллектором

база–эмиттер

и

выходного

 

 

 

 

 

 

напряжения.

 

Входное

 

 

 

 

 

 

сопротивление

схемы

 

ОК

 Электроника. Конспект лекций

-101-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее:

KU = Uвых/(Uбэ + Uвых) < 1.

(6.10)

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения сведены в табл. 6.2.

 

Основные свойства схем включения

Таблица 6.2

 

 

 

 

 

 

Параметр

Схема ОЭ

Схема ОБ

Схема ОК

 

 

 

 

ki

Десятки – сотни

< 1

Десятки – сотни

KU

Десятки – сотни

Десятки – сотни

< 1

KP

Сотни–десятки

Десятки – сотни

Десятки – сотни

Rвх

тысяч

 

 

Сотни ом –

Единицы –

Десятки –

 

единицы килоом

десятки ом

сотни килоом

Rвых

единицы –

Сотни килоом –

Сотни ом –

 

десятки килоом

Единицы мегаом

единицы килоом

Фазовый

 

 

 

сдвигмежду

180°

Uвх и Uвых

 

 

 

К основным предельным параметрам БТ относятся максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ.max, максимальный постоянный ток коллектора Iк.max и максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе Рк.max. При определенных применениях БТ необходимо учитывать и предельно допустимое значение обратного напряжения перехода эмиттербаза Uэб.max, также приводимое в справочных данных.

 Электроника. Конспект лекций

-102-

Общий расчёт структуры биполярного транзистора — Студопедия

Практическая работа №2. Проектирование и расчёт биполярного транзистора.

План практической работы

1. Общий расчёт структура биполярного транзистора.

2. Выбор концентрации примеси в эпитаксиальном слое коллектора.

3. Расчёт профиля легирования.

4. Расчёт удельных поверхностных сопротивлений базового и эмиттерного слоёв.

5. Контрольные задания.

Общий расчёт структуры биполярного транзистора.

Для расчёта всей структуры биполярного транзистора, изображённой на рис. 2.1., необходимы следующие исходные данные для расчета: глубина коллекторного перехода и концентрация примеси на поверхности пассивной базы.

Рис. 2.1. Структура биполярного транзистора.

Расчет выполняют в такой последовательности:

1. По заданному максимально допустимому напряжению определяют пробивное напряжение , которое должно быть хотя бы на 20% больше , т.е. . Пробивное напряжение коллекторного p-n-перехода выбирают с коэффициентом запаса 2…3.

По графику зависимости (рис. 2.2.), где – концентрация примесей на высокоомной стороне p-n-перехода, находят . Удельное сопротивление коллекторного перехода при рассчитывают по формуле:

 

Подвижности при заданной концентрации примесей находят из рис. 2.3.

Рис. 2.2. График зависимости пробивного напряжения от концентрации носителей.

Рис. 2.3. Зависимости подвижности носителей от концентрации примесей в полупроводнике.

2. Определяют характеристическую длину в распределении примесей акцепторов и характеристическую длину в распределении доноров :


 

3. Для расчёта ширины объёмного заряда на коллекторном и эмиттерном переходах предварительно вычисляют потенциал:

 

контактную разность потенциалов на коллекторном переходе:

 

где – тепловой потенциал, равный 0,026 В при ; - концентрация собственных носителей заряда в кремнии ( ).

Контактная разность потенциалов на эмиттерном переходе определяется аналогично .

4. Рассчитывают ширину области объёмного заряда, распространяющуюся в сторону базы и в сторону коллектора при максимальном смещении коллекторного перехода :

 
 

5. Выбирают ширину технологической базы, которая должна быть больше ширины слоя объемного заряда на коллекторном переходе , так как последний будет иметь максимальную ширину при :

 

6. Ширину высокоомного коллектора под коллекторным переходом выбирают больше ширины слоя объемного заряда на коллекторном переходе, распространяющейся в сторону коллектора при максимальном обратном смещении: . Полная толщина коллекторного слоя


7. Определяют концентрацию акцепторов на эмиттерном переходе:

 

8. В результате высокой степени легирования эмиттера область объёмного заряда на эмиттерном переходе в основном будет сосредоточена в базе. Приближённо можно считать, что , где:

 

Ширина базы была определена без учета и может оказаться заниженной; в свою очередь, величина тоже может быть меньше действительной, а ширина объемного заряда – больше. Однако превышение незначительно и приведет только к тому, что технологическая ширина базы будет выбрана с некоторым запасом.

9. Корректируют технологическую базу:

 

10. Для определения размеров активной базы рассчитывают ширину области объемного заряда и при прямом смещении эмиттерного и обратном смещении коллекторного переходов.

11. Определяют активную ширину базы:

 

12. Находят размеры коллекторов, имеющего квадратную форму со стороной:

 

где – площадь коллектора, которую рассчитывают по известной емкости коллекторного перехода при заданном смещении , принимая емкость коллектора :

 
 

13. Площадь эмиттера можно определить исходя из допустимой плотности тока эмиттера , при которой коллекторный переход находится при нулевом смещении, когда транзистор еще не вошел в режим насыщения:

 

где

Минимальное напряжение на участке эмиттер-коллектор транзистора рассчитывают по максимальной мощности на p-n переходе и максимальному току коллектора :

 

Размеры остальных областей транзистора, а также его общая площадь могут быть определены исходя из известной площади эмиттера , минимальной ширины контактов, минимального расстояния между контактами и других конструктивно технологических ограничений, принятых для данной технологии изготовления полупроводниковой ИМС.

Для определённого типа микросхем применяют и другие конструкции интегральных транзисторных структур. В логических микросхемах широко используется многоэмиттерный транзистор (МЭТ), типовая структцра которого приведена на рис. 2.4.

Рис. 2.4. Многоэмиттерный транзистор.

МЭТ представляет собой совокупность нескольких n-p-n транзисторов. Такая структура имеет общую базу и коллектор. Число эмиттеров может быть равным 5..8. Активные базовые области, находящиеся под эмиттерными переходами, объединяются между собой с помощью пассивной области базы. Особенностью МЭТ является наличие паразитного транзистора эмиттер – база – эмиттер. Действие паразитного межэмиттерного транзистора существенно для структур, у которых расстояние между эмиттерами соизмеримо с расстоянием от эмиттера до коллектора. Для уменьшения паразитных токов через эмиттеры искусственно увеличивают сопротивление пассивной области базы.

СИЛОВЫЕ БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ — Студопедия

Современные биполярные транзисторы изготавливаются на основе монокристаллического кремния по диффузионной технологии с использованием планарного процесса. Базовая ячейка транзистора n-p-n типа представлена на рис. 25.

Рис. 25. Поперечное сечение базовой ячейки биполярного транзистора (а), и его условное обозначение (б)

Такую структуру имеет большинство современных типов силовых биполярных транзисторов. Для p-n-p транзисторов будут справедливы практически все выводы, полученные при анализе процессов в рассматриваемой базовой ячейке. Для создания структуры ячейки в качестве исходного материала или подложки используется низкоомный n+-слой, на обратной стороне которого создается омический контакт коллектора. На подложке эпитаксиально выращивается высокоомный коллекторный n--слой, в котором методом диффузии формируется слой p-базы. Таким образом, в структуре образуется асимметричный коллекторный p-n- переход. Далее на поверхности p-базы проводят планарный процесс. Он заключается в создании пленки диоксида кремния и проведении через специально вытравленные окна имплантации донорной примеси для формирования эмиттерных n+-областей. После этого на верхней поверхности кристалла создают металлизированные слои для выводов базы и эмиттера, разделенные изолирующими участками диоксида кремния. Таким образом создается вертикальная структура силового биполярного транзистора. Рассмотрим основные закономерности физических процессов, протекающих в данной ячейке.


Структура биполярного транзистора является системой двух взаимодействующих p-n-переходов. В нашем случае это эмиттерный n+-p-и коллекторный p-n--переходы. В зависимости от полярности напряжений на данных переходах различают четыре режима работы транзистора: насыщение, отсечка, активный нормальный и активный инверсный.

Режим насыщения соответствует открытому состоянию ключа, при этом оба перехода транзистора смещены в прямом направлении.

В режиме отсечки переходы смещены в обратном направлении, а через транзистор проходят сравнительно небольшие точки утечки.

Активный режим работы транзистора в ключевом применении имеет место на фронтах переходного процесса переключения и характеризуется прямым смещением одного из переходов. При прямом смещении эмиттерного перехода активный режим называется нормальным. То есть в этом режиме эмиттер и коллектор транзистора выполняют свойственные им функции инжекции и собирания носителей тока. Не симметрия реальной структуры не располагает к свойству обратимости функций переходов, и, как правило, схемное инверсное включение транзистора на практике применяется крайне редко.


Электрическое поле от приложенного к транзистору внешнего напряжения (положительный потенциал на коллекторе n-p-n-структуры) в режиме отсечки и активно-нормального переключения располагается в области пространственного заряда, расположенного главным образом в его высокоомном n--слое коллектора, называемом также эпитаксиальным (по технологии процесса образования данного слоя). На рис. 26 граница ОПЗ обозначена пунктирной линией. С увеличением внешнего напряжения происходит расширение ОПЗ в глубь эпитаксиального слоя n-.

Рис. 26. Область пространственного заряда в структуре

биполярного транзистора

Когда граница ОПЗ, проходя через n--слой, достигает сильнолегированной области коллектора, дальнейшее расширение ОПЗ становится невозможным, начинает расти напряженность электрического поля в n--слое и может наступить лавинный пробой.

Расширение ОПЗ в сторону тонкой базовой области по достижении ее границы до эмиттерного перехода приводит к смыканию ОПЗ в области базы и пробою.

Допустимые рабочие напряжения транзистора (не приводящие к пробою) определяются размерами n--слоя коллектора и его легированием.

Теперь рассмотрим процессы, происходящие при протекании прямого тока через транзистор. Прежде всего интересен так называемый режим больших токов, когда концентрация инжектируемых эмиттером дырок становится сравнимой с равновесной концентрацией электронов в базовой области. При этом используется термин - высокий уровень инжекции, всегда характерный для силовых структур. Особенностью данного режима является возникновение электрического поля в области базового слоя. С одной стороны, это приводит к уменьшению сопротивления базового слоя и, следовательно, к уменьшению коэффициента инжекции, с другой - повышается скорость перемещения носителей через базу, что увеличивает коэффициент переноса. Так как коэффициент передачи тока транзистора от эмиттера к коллектору α является произведением двух упомянутых величин, их противоположное воздействие приводит к появлению точки максимума а при увеличении рабочего тока транзистора с тенденцией заметного уменьшения в области больших токов. Аналогично ведет себя коэффициент передачи тока базы β, имеющий однозначную связь с коэффициентом α (рис. 27). Таким образом, спад коэффициентов передачи токов определяет предельно допустимый ток биполярного транзистора. Значение β в режиме больших токов составляет для силовых транзисторов всего несколько единиц, что требует значительных затрат мощности управляющего сигнала для поддержания открытого состояния ключа.

Рис. 27. Зависимость коэффициентов передачи тока биполярного транзистора α (а) и β (б) от тока коллектора

Другой особенностью работы транзистора при высоких уровнях инжекции является неравномерное распределение тока по сечению эмиттера: оттеснение его к периферийным участкам при включении и стягивание его к центральной области при выключении (рис. 28).

Рис. 28. Эффект локализации (щнурования) тока коллектора при включении (а) и выключении (б) биполярного транзистора

Этот эффект связан с наличием продольного сопротивления области p-базы, в результате чего происходит изменение потенциала базы при протекании управляющего тока. Неравномерное распределение плотности тока является дополнительной причиной снижения коэффициентов передачи в открытом состоянии транзистора. Кроме этого, возможно возникновение термонестабильных горячих точек в структуре прибора, уменьшающих размеры области безопасных режимов транзистора. Для уменьшения влияния эффекта оттеснения следует уменьшить размеры эмиттерного слоя. В современных планарных структурах эмиттер биполярного транзистора делают в виде многополосковой гребенчатой структуры (рис. 29.).

Рис. 29. Гребенчатая металлизация контактов биполярного транзистора

Для ключевых приборов третьего поколения серии SMIII компанией «Motorola» предложена новая структура эмиттера, металлизация которого выполнена в виде полой конфигурации («hollow» emitter) (рис. 30.).

Рис. 30. Структура биполярного транзистора SM III компании «Motorola»

Это позволило разделить эмиттерный слой на две составляющие и соответственно понизить влияние эффектов шнурования тока. Кроме того, продольное сопротивление p-базы, расположенное под полым участком эмиттерной металлизации, не влияет на распределение потенциала базы.

Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора (рис. 31), кроме активной области, имеются области насыщения, квазинасыщения и лавинного пробоя.

Рис. 31. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора ОЭ (а) и ОБ (б): I – область насыщения, II – область квазинасыщения, III – активная область; б) область лавинного пробоя)

В заключение отметим, что динамические характеристики рассматриваемой структуры зависят не только от коэффициентов усиления тока ивремени пролета носителей от эмиттера к коллектору, но и от емкостей переходов транзистора. Основной вклад в инерционность изменения тока на
ряду с процессами накопления и рассасывания носителей вносит перезаряд барьерной емкости коллекторного перехода СКБ. Данная емкость связана в основном с обедненной областью коллекторного перехода и поэтому зависит от напряжения база-коллектор. С ростом напряжения емкость СКБ уменьшается.

Рис. 33. Зависимость барьерной емкости коллекторного перехода

Биполярный Транзистор Структура и Изготовление »Электроника Примечания

Основные детали структуры типичных биполярных транзисторов с пояснениями, помогающими понять, как они работают.


Учебное пособие по транзисторам Включает в себя: Основы
транзисторов Прибыль: Hfe, HFE & Beta Технические характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор замены транзисторов


Изготовление биполярных транзисторов и их структура прошли долгий путь с момента создания первых транзисторов.

Современные транзисторы изготовлены с использованием сложных процессов, а структура транзисторов позволяет им иметь очень высокий уровень производительности.

Оригинальный транзистор, изготовленный Бардином, Браттеном и Шокли, состоял из двух очень близко расположенных контактов на германиевой основе. Структура этого транзистора состояла из двух точечных контактов на основании германия.

Сегодня транзисторы изготавливаются различными способами и имеют различные структуры.Они могут быть диффузными, эпитаксиально выращенными, или они могут использовать мезастроение.

2N3553 transistor in a TO39 metal can Транзистор 2Н3553 в металлической банке ТО39

Биполярная транзисторная структура: основы

По существу, транзистор состоит из области полупроводника n-типа p-типа, расположенной между областями противоположно легированного кремния. В качестве таких устройств может использоваться конфигурация p-n-p или n-p-n.

Существует три соединения: излучатель, основание и коллектор. База находится в центре и ограничена излучателем и коллектором.Из двух внешних двух коллектор часто делается больше, поскольку именно здесь большая часть тепла рассеивается.

Transistor basic structure and circuit symbols Базовая структура транзистора и условные обозначения схемы

Основание получило свое название от контактных транзисторов первой точки, где центральное соединение также сформировало механическое «основание» для конструкции. Важно, чтобы эта область была такой же тонкой, чтобы достичь высоких уровней усиления тока. Часто это может быть только около 1 мкм в поперечнике.

Излучатель - это то место, где текущие носители «излучаются», а коллектор - там, где они «собираются».

Точечная контактная транзисторная структура

Самые ранние транзисторы использовали структуру точечного контакта. Эта транзисторная структура была проста в изготовлении с использованием очень низко технологического оборудования, но не была надежной.

Как видно из названия, эта структура биполярного транзистора использует провода для создания точечного контакта на полупроводниковом материале.

Diagram of the structure of a point contact bipolar transistor showing the base semiconductor and the two wires forming point contacts onto the semiconductor. Точечный контактный транзистор

Легированная соединительная конструкция

Другой структурой транзисторов, которая широко использовалась в первые дни транзисторов, был легированный переход.

Diagram of the structure of an alloyed junction bipolar transistor structure showing the base semiconductor and the two p+ areas forming the emitter and collector. Конструкция из легированного переходного транзистора

Транзисторная структура из легированного спая использовала кристалл германия в качестве основы для всей структуры, а также в качестве базового соединения. Гранулы из эмиттера и коллектора были затем сплавлены на противоположных сторонах. За прошедшие годы было разработано несколько типов усовершенствованных транзисторов со сплавным соединением.

В начале 1960-х годов транзисторы со сплавным соединением устарели, поскольку появился плоский транзистор, который можно было легко производить в массовом порядке, тогда как транзисторы со сплавным соединением должны были изготавливаться индивидуально.

Диффузионные транзисторы

В отличие от предыдущих транзисторных структур, в которых контакты были добавлены в полупроводниковый кристалл извне, диффузионный транзистор позволял создавать различные области транзистора путем диффузии легирующих примесей в полупроводниковый кристалл, чтобы получить области требуемых характеристик, p-типа, n -типа, p +, n + и т. д.

В самых ранних диффузионных транзисторах использовалась форма структуры с диффузионным основанием. Эти транзисторы все еще имели сплавные эмиттеры, и они даже иногда имели коллекторы из сплавов, такие как более ранние транзисторы со сплавным соединением.Только основа рассеивалась в подложке, хотя иногда подложка образовывала коллектор.

Планарная транзисторная структура

Плоская транзисторная структура была разработана в Fairchild Semiconductor в 1959 году и стала крупным прорывом в технологии. Он не только позволил более легко изготавливать биполярные транзисторы, но и заложил основу будущей технологии интегральных схем.

Плоская транзисторная структура также включает пассивирующий слой на внешних участках кристалла.Это защищает края соединения от загрязнения и позволяет использовать гораздо менее дорогую пластиковую упаковку, не рискуя ухудшением характеристик транзистора в результате загрязнения, попадающего в кристаллическую решетку, особенно в областях вокруг соединений.

Удивительно, но первые плоские транзисторы имели худшие уровни производительности по сравнению с их отношениями соединения сплавов, но транзисторы с рассеянной плоской структурой могли бы быть произведены серийно, и в результате они стоили намного меньше, что делало их очень привлекательным вариантом.Однако первые трудности были преодолены, и плоские транзисторы предлагают очень высокий уровень производительности.

Simplified diagram of the structure of a planar junction bipolar transistor structure showing the base semiconductor and the areas forming the emitter, base and collector. Упрощенная плоская транзисторная структура

Стоит отметить, что область коллектора имеет больший объем, чем излучатель. Хотя во многих отношениях эти две клеммы могут быть заменены, коллектор находится там, где рассеивается наибольшая мощность, и, следовательно, он имеет больший объем.

Также можно видеть, что в этом транзисторе течение тока происходит в вертикальной плоскости на диаграмме.

Существуют и другие различия в уровнях легирования, используемых в транзисторной структуре. Легирование эмиттера, как правило, выше базового легирования для обеспечения высокой эффективности впрыска. Также коллекторный допинг ниже базового допинга.

Общий подход к формированию эмиттерного и базового переходов заключается в использовании процесса, известного как метод двойной диффузии. Используя метод двойной диффузии, сначала проводится диффузия базовой области, чтобы обеспечить большую базовую площадь.Затем меньшая площадь эмиттера рассеивается с более высоким уровнем легирующей примеси, чтобы обеспечить более мелкий более сильно легированный эмиттер.

Боковая планарная транзисторная структура

В некоторых случаях может быть выгодно иметь боковую транзисторную структуру.

Diagram of the structure of a lateral planar junction bipolar transistor structure noting that current flow is in the horizontal plane on the diagram. Боковая плоская транзисторная структура

Из этой диаграммы видно, что поток тока находится в горизонтальной плоскости, а не в вертикальной плоскости. Этот формат имеет преимущества в некоторых приложениях, но требует более диффузионных процессов и поэтому является более сложным и, следовательно, более дорогим.Как таковой, он используется только тогда, когда производительность и характеристики требуют этого.

Транзисторные допинговые и легирующие профили

Какой бы метод построения не использовался для транзистора, базовый слой остается очень тонким. Обычно оно составляет менее 1 мкм для высокого усиления по току.

Для большинства транзисторов с биполярным переходом ток протекает в вертикальной плоскости, хотя при необходимости возможна боковая структура.

С точки зрения уровней легирования в транзисторной структуре легирование эмиттера, как правило, является самым высоким.Это обеспечивает высочайшую эффективность впрыска. Далее идет базовый допинг. Наконец, коллектор получает самый низкий уровень легирования, так что базовая функция нейтрали является слабой функцией базового напряжения коллектора.

Типичный профиль легирования для транзисторной структуры показывает различные области для транзистора с их уровнями легирования.

Typical doping profile for standard silicon transistor Типичный профиль легирования для стандартного кремниевого транзистора (NPN)

Как видно из диаграммы структуры транзистора, легирование эмиттера намного выше, чем эфирное основание областей коллектора.

Хотя транзисторы могут работать с инвертором эмиттера и коллектора, производительность будет ниже. В результате неправильные уровни допинга. Кроме того, коллектор сделан больше и позволяет более легко отводить тепло, так как это область транзисторной структуры, где рассеивается большая часть тепла.

Больше электронных компонентов:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители РЧ разъемы Клапаны / Трубы батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты»., ,

.

Bipolar Transistor Cookbook - Part 1


Биполярный транзистор является наиболее важным «активным» элементом схемы, используемым в современной электронике, и он составляет основу большинства линейных и цифровых интегральных схем, операционных усилителей и т. Д. В своей дискретной форме он может функционировать как цифровой коммутатор или как линейный усилитель, и доступен во многих формах малой, средней и высокой мощности. Этот вводный эпизод концентрируется на базовой теории транзисторов, характеристиках и конфигурациях цепей. Оставшиеся семь частей серии представят широкий спектр практических схем применения биполярных транзисторов.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРНЫЕ ОСНОВЫ

Биполярный транзистор (впервые изобретенный в 1948 году) представляет собой трехполюсное (основание, эмиттер и коллектор) устройство усиления тока, в котором небольшой входной ток может управлять величиной намного большего выходного тока. Термин «биполярный» означает, что устройство изготовлено из полупроводниковых материалов, в которых проводимость зависит как от положительных, так и от отрицательных (основных и неосновных) носителей заряда.

Обычный транзистор выполнен из трехслойного сэндвича из полупроводникового материала n-типа и p-типа, при этом базовый или «управляющий» вывод подключен к центральному слою, а выводы коллектора и эмиттера подключены к внешним слоям.Если он использует строительный сэндвич n-p-n, как в на рисунке 1 (а) , он известен как транзистор npn и использует стандартный символ в на рисунке 1 (б) .

РИСУНОК 1. Базовая конструкция (a) и символ (b) npn-транзистора.


Если он использует структуру p-n-p, как в Рисунок 2 (а) , он известен как транзистор pnp и использует символ в Рисунок 2 (b) .

РИСУНОК 2. Базовая конструкция (a) и символ (b) транзистора pnp.


При использовании транзисторам npn и pnp каждый требуется источник питания соответствующей полярности, как показано в Рисунок 3 .

РИСУНОК 3. Полярность подключения к (a) npn и (b) pnp транзисторам.


Устройству NPN необходим источник питания, который делает коллектор положительным для эмиттера - его выходной или основной сигнал (I c ) течет от коллектора к эмиттеру, а его амплитуда контролируется входным «управляющим» током (I b ), который течет от базы к эмиттеру через внешний ограничивающий ток резистор (R b ) и положительное напряжение смещения.Транзистору pnp требуется отрицательный источник питания - ток его главной клеммы течет от эмиттера к коллектору и управляется входным током эмиттера к базе, который течет к отрицательному напряжению смещения.

В первые годы использования биполярных транзисторов большинство транзисторов были изготовлены из германиевых полупроводниковых материалов. Такие устройства имели много практических недостатков: они были фраг

.

Datei: биполярный транзистор.png - Википедия

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Zur Navigation springen Zur Suche Springen Datei:Bipolar transistor.png

Es ist keine höhere Auflösung vorhanden.


Beschreibung

BeschreibungBipolar transistor.png

Описание: структура биполярного транзистора

  • Автор, дата создания: самодельный Shaddack, 5 января 2006
  • Источник: самодельный
  • Авторские права: общественное достояние (PD)
  • Комментарии: цвет PNG, GIMP
Datum (оригинал-хохладедатум)
Quelle Die Autorenschaft Wurde Nicht в Einer Maschinell Лесбарен Форма Анжегебен. Это странное происхождение, то есть, то же самое, что Верк Хендельт (basierend auf den Rechteinhaber-Angaben).
Urheber Die Autorenschaft Wurde Nicht в Einer Maschinell Лесбарен Форма Анжегебен. Это странно, Шэддак и его авторы (basiere auf den Rechteinhaber-Angaben).

Lizenz

Public domainPublic domainfalsefalse
Public domain Ich, der Urheberrechtsinhaber dieses Werkes, veröffentliche es als gemeinfrei. умирает позолоченный.
В манатском государственном королевстве умирает. Sofern dies der Fall ist:
Ich gewähre jedem das bedingungslose Recht, dies Werk for jedweden Zweck zu nutzen, es sei denn, Bedingungen sind gesetzlich erforderlich.
Deutsch

Ergänze eine einzeilige Erklärung, было датировано Datei darstellt.

Датаверсионен

Klicke auf einen Zeitpunkt, um diese Версия zu laden.

Версия vom Vorschaubild Maße Benutzer Комментарии
aktuell 19:31, 6. Jan. 2006 Vorschaubild der Version vom 6. Januar 2006, 19:31 Uhr 800 × 600 (20 КБ) Shaddack
19:06, 6. январь 2006 г. 800 × 600 (20 КБ) Shaddack * Описание: Структура биполярного транзистора * Автор, дата создания: самодельный Shaddack, 5 января 2006 * Источник: самодельный * Авторское право: Public Domain (PD) * Комментарии: цветной PNG, GIMP [[Категория: Тр.

Dateiverwendung

Die Folgenden 3 Seiten Verwenden Diese Дата:

,

Как работает биполярный транзистор?

bipolar transistor

Биполярный транзистор - трехконечный (три электрода), управляемый током полупроводник электронный компонент, который имеет способность усиливать сигналы постоянного тока и переменного тока, поэтому каждый транзистор принадлежит Семейство усилителей . Усилитель - это устройство, которое может управлять большей мощностью при использовании меньшей мощности.

Существует два типа биполярных транзисторов: транзисторов N-P-N и транзисторов P-N-P .Электроды биполярного транзистора имеют следующие названия: - C - коллектор, B - база, E - эмиттер. Чаще всего используются кремниевые Si-транзисторы (пороговое напряжение V T = 0,6 - 0,7 В), реже - германий Ge (V T = 0,2 - 0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем электропитания до компьютеров и более продвинутых систем.


Биполярный транзистор - Задачи для студентов

Если вы студент или просто хотите научиться решать задачи по биполярному транзистору, посетите этот раздел нашего веб-сайта, где вы можете найти широкий спектр электронных задач.


Биполярный транзистор - Конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с различными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В этом примере две формы p-n-перехода ( диодов ): базовый излучатель (BE) и базовый коллектор (BC).

npn bipolar transistor symbol

Рис. 1. Символ биполярного транзистора NPN и конструкция его контактов

pnp bipolar transistor symbol

Рис. 2. Символ биполярного транзистора PNP и конструкция его контактов

Diode replacement models of transistors

Рис.3. Модель замены диода NPN-транзистора

pnp Diode replacement models of transistors

Рис. 4. Модель замены диода PNP-транзистора

Distribution of currents in NPN transistor

Рис. 5. Распределение токов в NPN-транзисторе

Биполярный транзистор - принцип действия o peration

Main Особенностью биполярных транзисторов является возможность управления большим током с использованием малого . В зависимости от рабочей точки транзистор может работать в четырех режимах:

  • Режим отключения - Соединение база-эмиттер не смещено вообще или имеет обратное смещение.Текущие значения коллектора очень малы:
  • ,
  • , , прямой активный режим (чаще всего называемый , активный режим ). Соединение база-эмиттер смещено вперед, а соединение база-коллектор смещено обратно. Здесь стоит отметить, что не следует превышать напряжение на стыке (кремниевые или германиевые диоды), что может привести к протеканию большого базового тока и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, увеличенное в β раз по сравнению с базовым значением тока.Напряжение базы-эмиттера вводит большинство носителей из эмиттера через переход к базе - (в электронах N-P-N и в отверстиях P-N-P). Носители вводят из излучателя в базовую область (поплавок) (явление диффузии) в область сочленения база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под воздействием электрического поля в области истощения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, позволяя току, протекающему между коллекторным и эмиттерным электродами, протекать сильнее.
  • Обратно-активный режим (инвертированный режим) - Соединение база-эмиттер смещено в обратном направлении, а коллектор базы-коллектора имеет прямое смещение. Усиление тока небольшое,
  • Режим насыщения - Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшого значения. Ток базы настолько велик, что схема коллектора не может усилить его в β раз больше.

Биполярный транзистор - Вольт-амперные характеристики

bipolar transistor characteristics

Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (ОЭ)

bipolar transistor characteristics ob

Рис.7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OB)

Эти области транзистора обычно используются в соответствии с необходимостью, например:

  • Транзистор в качестве усилителя - транзистор, работающий в прямой активной области, может использоваться для построения системы, которая будет усиливать электрический ток.
  • В качестве переключателя (клапана) - здесь используется переход между областью насыщения (вкл) и отсечкой (выкл). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор - Ограничивающие параметры

  • В EB0max - максимально допустимое обратное смещение базы-эмиттера,
  • В CB0max - максимально допустимое обратное смещение базы-коллектора ,
  • В CE0max - максимально допустимое прямое смещение базового эмиттера,
  • I Cmax - максимальный ток коллектора,
  • I Bmax - максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор - Операционные системы

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и коллектором транзистора, тогда как сигнал после усиления поступает между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения в этой цепи близко к единице, поэтому выход усилителя получает «повторное» напряжение от входа, отсюда и второе общепринятое название этого усилителя - излучатель.

amplifier system with common emitter

Рис. 8. Схема переменного переменного напряжения системы усилителя с общим эмиттером (ОЭ)

Система общей базы

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал получен между базой и коллектором после усиления.

amplifier system with common base

Рис. 9. Схема переменного переменного напряжения системы усилителя с общей базой (OB)

Система общего коллектора

Усиленное напряжение входного сигнала подается между базой и эмиттером транзистора, тогда как сигнал после усиления поступает между коллектором и эмиттером.Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «общим» для входных и выходных сигналов - отсюда и название системы.

OC common collector

Рис. 10. Схема общего коллектора ОС

Биполярный транзистор в качестве переключателя

Биполярный транзистор предназначен для работы в качестве переключателя. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отключение и насыщение. Под воздействием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отключения через активное состояние в состояние насыщения.Когда управляющего напряжения больше нет, транзистор возвращается в состояние отключения. Находясь в отключенном состоянии, транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропустит никакого сигнала (это можно рассматривать как обрыв в цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление и ситуация противоположная.

Идеальный транзисторный переключатель должен почти мгновенно менять состояния и иметь очень крутые (вертикальные) переходные характеристики, а время переключения должно равняться нулю.

Существуют способы значительно ускорить процесс переключения транзистора:

  • Уменьшить значение базового резистора транзистора,
  • Включить параллельную емкость с базовым резистором транзистора. Устраняет эффект интегрирования и сокращает время включения транзистора.
  • Подключите базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квази-насыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и более коротким временем переключения. ,Недостатком этой системы является более высокое значение напряжения в низком состоянии, поскольку транзистор не насыщается.
  • Подключение источника питания к базе транзистора.

Биполярный транзистор - Поляризационные системы

Наиболее часто встречающиеся системы смещения транзисторов представлены ниже:

system with potentiometric base power

Рис. 11. Система с потенциометрической базой питания

system with forced base current

Рис. 12. Система с принудительной базой ток

system with coupling collector

Рис.13. Система с коллектором связи

system with potentiometric base power and coupling emitter

Рис. 14. Система с потенциометрическим базовым источником питания и эмиттером связи

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о