Характеристики биполярных транзисторов: принцип работы, классификация, вольт-амперные характеристики

Что такое биполярный транзистор и как он работает. Какие бывают типы биполярных транзисторов. Как выглядят статические характеристики биполярных транзисторов. Какие параметры характеризуют работу биполярного транзистора.

Принцип работы биполярного транзистора

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, используемый для усиления и генерации электрических сигналов. Он состоит из трех областей полупроводника с чередующимся типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.

Принцип работы биполярного транзистора основан на управлении током коллектора с помощью тока базы. При подаче небольшого тока на базу транзистора происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу. Большая часть этих носителей проходит через тонкий слой базы и попадает в коллектор, создавая значительный коллекторный ток.

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:

• По типу проводимости:
  • n-p-n транзисторы
  • p-n-p транзисторы
• По мощности:
  • маломощные (до 0,3 Вт)
  • средней мощности (0,3-1,5 Вт)
  • мощные (более 1,5 Вт)
• По частотным свойствам:
  • низкочастотные (до 3 МГц)
  • среднечастотные (3-30 МГц)
  • высокочастотные (30-300 МГц)
  • сверхвысокочастотные (более 300 МГц)

Статические характеристики биполярных транзисторов

Статические характеристики биполярного транзистора описывают зависимости между его токами и напряжениями в установившемся режиме. Основными характеристиками являются:

Входные характеристики

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при фиксированном выходном напряжении. Для схемы с общим эмиттером это зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер:

I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const

Выходные характеристики

Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от выходного напряжения при фиксированном входном токе. Для схемы с общим эмиттером это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы:

I_К = f(U_КЭ) при I_Б = const

Основные параметры биполярных транзисторов

Работу биполярного транзистора характеризуют следующие основные параметры:

• Коэффициент усиления по току h_21э — отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы в схеме с общим эмиттером.
• Входное сопротивление h_11э — отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению тока базы.
• Выходная проводимость h_22э — отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению напряжения коллектор-эмиттер.
• Коэффициент обратной связи по напряжению h_12э — отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению напряжения коллектор-эмиттер.

Применение биполярных транзисторов

Благодаря своим характеристикам биполярные транзисторы широко применяются в различных электронных устройствах:

• Усилители электрических сигналов
• Генераторы электрических колебаний
• Электронные ключи
• Стабилизаторы напряжения
• Логические элементы цифровых схем

Понимание характеристик и принципа работы биполярных транзисторов позволяет эффективно использовать их при проектировании электронных устройств различного назначения.

Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения биполярных транзисторов:

Схема с общим эмиттером (ОЭ)

В схеме с общим эмиттером входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной снимается с коллектора и эмиттера. Эта схема обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению, поэтому является наиболее распространенной.

Схема с общей базой (ОБ)

В схеме с общей базой входной сигнал подается между эмиттером и базой, а выходной снимается с коллектора и базы. Эта схема имеет низкое входное сопротивление и высокое выходное, обеспечивает хорошее усиление напряжения.

Схема с общим коллектором (ОК)

В схеме с общим коллектором входной сигнал подается между базой и коллектором, а выходной снимается с эмиттера и коллектора. Эта схема имеет высокое входное сопротивление и низкое выходное, обеспечивает усиление тока, но не усиливает напряжение.

Частотные свойства биполярных транзисторов

Частотные свойства биполярных транзисторов характеризуют их способность работать на высоких частотах. Основными параметрами, описывающими частотные свойства, являются:

• Граничная частота коэффициента передачи тока f_h21э — частота, на которой модуль коэффициента усиления по току уменьшается в √2 раз по сравнению с низкочастотным значением.
• Максимальная частота генерации f_max — наибольшая частота, на которой транзистор еще способен генерировать колебания.
• Емкости переходов C_бэ и C_бк — емкости эмиттерного и коллекторного переходов, влияющие на быстродействие транзистора.

Знание частотных характеристик позволяет правильно выбирать транзисторы для работы в высокочастотных схемах.

Температурные характеристики биполярных транзисторов

Температура оказывает существенное влияние на работу биполярных транзисторов. Основные температурные эффекты включают:

• Увеличение обратного тока коллекторного перехода I_КБО с ростом температуры
• Уменьшение напряжения база-эмиттер U_БЭ при постоянном токе с ростом температуры
• Изменение коэффициента усиления по току h_21э с температурой

Учет температурных зависимостей необходим при проектировании схем, работающих в широком диапазоне температур, для обеспечения их стабильной работы.

Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определен­ности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

 

Схема с общей базой

 

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях пара­метра U_КБ — напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в схеме включения с ОБ

 

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С рос­том обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при вы­бранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует неболь­шой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представ­ляет собой зависимости I

К = f(U_КБ) при заданных значениях парамет­ра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обрат­ном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протека­ющий в цепи коллектор — база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ус­коряющего действия контактной разности потенциалов. Ток мож­но уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соот­ветствует режиму насыщения, когда существуют встречные пото­ки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока оди­наковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I

Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требу­ется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (об­ратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = aI_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличе­нии параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитыва­ется эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент переда­чи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U

КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характе­ристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a. Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнару­жено только измерениями. Поэтому отклонение выходных харак­теристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

 

Схема с общим эмиттером

 

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представля­ет собой зависимости I_Б = f(U_БЭ), причем параметром является на­пряжение U_КЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает

а)	б)
Рисунок 3.6 Рисунок 3. 5 Входные (а) и выходные (б) характеристики БТ в схеме включения с ОЭ

 

прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ = -U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход бу­дет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэто­му входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать ре­жиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряже­ния U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих перехо­дах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на реком­бинацию, определяющих базовый ток.

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_КЭ á0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ долж­но быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превы­шать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ — U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 — a)I_Э — I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически от­сутствует (I_Э = 0) и ток I_Б = -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение пря­мого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 — a) I_Э. Когда (1 — a) I_Э = I_КБО, ток I_Б = 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 — a) I_Э > I_КБО^{и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напря­жения перехода.}

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базо­вой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ предста­вляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном — к нормальному актив­ному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже от­мечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом на­сыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) I_К = I_КЭО = (b + 1 ) I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = -I_КБО. Выходная ха­рактеристика с параметром I_Б = -I_КБО может быть принята за грани­цу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту грани­цу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режи­ме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э » bh_22Б) Объясняется это различным проявлени­ем эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока ба­зы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регули­ровкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора DI_К, т. е. увеличение выходной проводимо­сти (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3 Влияние температуры на статические характеристики БТ

 

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра анало­гично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормаль­ном активном режиме ток эмиттерного перехода можно предста­вить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j_Т = kT/q. В резуль­тате противоположного влияния двух факторов входные характери­стики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на вели­чину DU » (1…2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется теп­ловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении тем­пературы опускается (рисунок 3. 7, б).

 

а)	б)
Рисунок 3.7 Зависимость входных характеристик от температуры для схем ОБ (а) и ОЭ (б).

 

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

а)	б)
Рисунок 3.8 Зависимость выходных характеристик БТ от температуры для схем включения с ОБ (а) и ОЭ (б).

Однако обычно I_КБО значительно меньше aI_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь парамет­ром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при измене­нии температуры. Будем считать в первом приближении, что коэф­фициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство bI_Б оз­начает, что температурная зависимость I_К будет определяться сла­гаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 при­рост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значе­нием коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характе­ристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характе­ристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

 

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? — задался я вопросом. ..

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот…

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры…

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала…

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

Статические характеристики биполярных транзисторов, h- параметры, схемы замещения транзисторов.

Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: Археология Биология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Техника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ? Влияние общества на человека Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 8Следующая ⇒ Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства. Все параметры можно разделить на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения. К ним относятся: rэ – сопротивление эмиттера, rк – сопротивление коллектора, rб – сопротивление базы. Значения сопротивлений рассматриваются по отношению к переменной составляющей. С учетом этих параметров транзистор, включенный по схеме с ОЭ, может быть представлен эквивалентной схемой. Схема замещения: Генератор тока отражает усилительные свойства схемы, а уменьшение коллекторного сопротивления на 1-α – тот факт, что к эмиттерному переходу прикладывается часть напряжения Uкэ. Статическими характеристиками транзисторов называют графики, выражающие функциональную зависимость между токами и напряжениями транзистора. Статическими характеристиками являются статический коэффициент передачи тока эмиттера α и статический коэффициент передачи тока базы β. С точки зрения системы вторичных параметров транзистор рассматривают как некоторый четырехполюсник со следующей схемой замещения. Эквивалентная схема с h-параметрами: 1) Входное сопротивление при коротко замкнутом выходе при , к.з. на выходе по переменному току, . 2)Коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на входе, . Этот коэффициент показывает, какая доля выходного переменного напряжения передается на вход транзистора вследствие отрицательной обратной связи в нем. 3) Усиление тока при к.з. на выходе по переменному току , при , . Показывает коэффициент усиления переменного тока транзистором в режиме работы без нагрузки. 4) Выходная проводимость при х.х. на входе , при , – часто используют выходное сопротивление. Представляет собой внутреннюю проводимость для переменного тока между выходными зажимами транзистора.   Транзисторный источник тока. Транзисторный источник тока с заземленной нагрузкой. Транзисторный источник тока Работает следующим образом: напряжение на базе Uб> 0,6 В поддерживает эмиттерный переход в открытом состоянии: Uэ = Uб — 0,6 В. В связи с этим Iэ = Uэ/Rэ = (Uэ — 0,6/Rэ). Так как для больших значений коэффициента h31эIэ ≈ Iк, то Iк≅ (Uб — 0,6 В)/Rэ независимо от напряжения Uк до тех пор, пока транзистор не перейдет в режим насыщения (Uк>Uэ + 0.2 В). Kuобщ.эмит.=Rк||Rн\R’э||R’’э+rэ0 Ku=Rк\rэ0=Rк\φТ \Ik=Rk*Ik\=Uп\2=20Uп, если Ukстремится 0, то Ik*Rk стрем Uп и Кumax=40Uп, увеличение Rк следоват уменьшение Iк, но произведение постоянно(Uп = const) Каскад с ОЭ – напряжение на базе Uб=(Iб=0)=Uп*R2\R1+R2 Rвх=h31*Rэ=100кОм=16 мкА Мы выбираем сопротивление делителя в 10 раз меньше, чем входное сопротивление усилителя. Независимо от Rн, ток на Rн будет равен 1мА. Источник тока с заземленной нагрузкой.Рабочий диапазон. Источник тока передает в нагрузку постоянный ток только до определенного конечного напряжения на нагрузке. В противном случае источник тока был бы способен генерировать бесконечную мощность. Диапазон выходного напряжения, в котором источник тока ведет себя как следует, называется рабочим диапазоном Используются для : (1. задания неизменных режимов работы транзисторных каскадов, особенно в ОУ 2. в качестве эмиттерной нагрузки дифференциальных каскадов с целью их симметрирования 3. в качестве коллекторной нагрузки каскада с общим эмиттером с целью увеличения коэффициента усиления.) При заданном Iк, Uбэ базы – эмиттер и h21 эмиттер несколько изменяются при изменении Uкэ.Кроме того, они зависят от температуры F(t). ΔUбэ=-0. 001ΔUкэ – эффект Эрли. Недостатки источников тока 1.При заданном I коллектора и Uбэ, и коэффициент h31э (эффект Эрли) несколько изменяются при изменении U коллектор-эмиттер. Изменение Uбэ, связанное с изменением Uнагр, вызывает изменение Iвых , так как Uэ (а следовательно, и Iэ ) изменяется, даже если Uб фиксировано. Изменение значения коэффициента h31э приводит к небольшим изменениям выходного Iк при фиксированномIэ, так как Iк = Iэ — Iб; кроме того, немного изменяется Uб в связи с возможным изменением сопротивления источника смешения, обусловленного изменениями коэффициента h31э (а следовательно, и тока базы). ).Все эти изменения приводят к тому, что источник тока работает хуже, чем идеальный: выходной ток немного зависит от U и, следовательно, его сопротивление не бесконечно. 2. Uбэ и коэффициент h31э зависят от температуры. Поэтому, при изменении температуры о. с.возникает дрейф Iвых. Кроме того, температура перехода изменяется при изменении Uнагр (в связи с изменением мощности, рассеиваемой транзистором) и приводит к тому, что источник работает не как идеальный.     10. Токовые зеркала (эффект Эрли). Недостатки. Применение. Используются в качестве коллекторной нагрузки, дифференциальных усилителях и дифференциальных входных каскадов, операционных усилителях, что позволяет увеличивать их Кu даже в большей степени, чем при использовании коллекторной нагрузки источника тока.   Задавая Iк VT1 ,мы задаем Uбэ, а значит Iк. Если транзисторы одинаковые и находятся при одинаковой температуре (Iэо1=Iэо2), например на одном кристалле вблизи друг друга, то Iк1 будет равен Iк2. Недостатки: Зависимость от температуры и Эффект Эрли.     Можно уменьшить эффект Эрли введением в эмиттерную цепь R, осуществляющее местную связь ООС, либо использование токового зеркала Уилсона. Благодаря VT3, UкVT1 фиксирован и на 2Uбэ меньше Uпит, что позволяет подавить эффект ЭрлиVT1. VT3 передает выходной ток нагрузке.VT3 включен по схеме с ОБ. Используется: для задания и использования требуемых режимов работы усилительных каскадов, в том числе в ОУ, в частности в качестве коллекторной нагрузки ДУ, что позволяет увеличить их коэффициент усиления больше, чем при использовании источников тока.     11.Отражатели тока. Используются для задания и стабилизации режимов работы каскадов ОУ.   Токовые зеркала используются:-в качестве кол-ной нагрузки ⇐ Предыдущая12345678Следующая ⇒ Читайте также:  Где возникла философия и почему? Относительная высота сжатой зоны бетона Сущность проекции Гаусса-Крюгера и использование ее в геодезии Тарифы на перевозку пассажиров 

Последнее изменение этой страницы: 2016-04-21; просмотров: 238; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia. su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь — 161.97.168.212 (0.008 с.)

Анализ частотных характеристик биполярного транзистора. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

Анализ частотных характеристик биполярного транзистора. OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей

ВикиЧтение

OrCAD PSpice. Анализ электрических цепей
Кеоун Дж.

Содержание

Анализ частотных характеристик биполярного транзистора

Компонент PSpice Q2N3904 имеет характеристики, близкие к характеристикам реального транзистора. Обратимся к рис. D.5, на котором показана модель BJT. Мы хотим исследовать высокочастотную реакцию транзистора. Начните новый проект в Capture с именем hifreq. Введите схему, показанную на рис. 15.31, которая основана на схеме на рис. 10.13 (исключен только резистивный датчик тока RB). Мы не пытались сохранить первоначальную нумерацию узлов. Используйте компонент VAC для V_s, установив для него значение напряжения в 1 мВ. Значения R и С показаны на рисунке. Сначала мы не будем изменять параметры транзистора, а затем значение h_FE будет изменено, как в главе 10.

Рис. 15.31. Схема усилителя на биполярном транзисторе на высоких частотах

Закончив схему, сохраните ее и подготовьте моделирование на PSpice с именем hifreqs. Используйте вариацию частоты от 100 кГц до 100 МГц с шагом в 50 точек на декаду.

Проведите анализ и получите график выходного напряжения на коллекторе V(5). Убедитесь, что выходное напряжение при частоте f=100 кГц составляет 9,123 мВ. Таким образом, коэффициент усиления на средних частотах с источника на коллектор равен 9,123. Это значение будет использоваться при установлении верхней частоты снижения на 3 дБ. Удалите этот график и получите график

20·lg(V(5)/9,123mV).

Он показан на рис. 15.32 вместе со схемой. Используйте курсор, чтобы проверить, что верхняя частота снижения на 3 дБ равна f=37,15 МГц.

Рис. 15.32. Частотная характеристика для биполярного транзистора

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Описание характеристик системы

Описание характеристик системы Еще одна роль службы контроля качества – применение дисциплины исследовательского тестирования[38] для описания характеристик истинного поведения работающей системы и передачи информации о нем группе разработки и бизнес-стороне. В этой

13.6.3 Согласование характеристик терминала 3270

13. 6.3 Согласование характеристик терминала 3270 Аналогичный обмен происходит при установке эмуляции типа терминала IBM 3270. Показанный ниже диалог представляет согласование регистрации на хосте IBM VM с терминала 3270. В этом примере удаленный хост выводит на экран сведения для

Расчет смещения для германиевого транзистора

Расчет смещения для германиевого транзистора В качестве другого примера на рис. 3.3 показана схема смещения для германиевого pnp-транзистора с hFE=60 и VBE=-0,2 В. Значения параметров элементов схемы: RF=50 кОм; RE=50 Ом; RC=1 кОм и VCC=-12 В. Заменив транзистор моделью PSpice, мы получим схему

Встроенная модель биполярного транзистора

Встроенная модель биполярного транзистора В начальных главах мы не использовали при анализе транзисторных схем встроенную модель для плоскостного биполярного транзистора (BJT). Хотя одно из основных преимуществ PSpice заключается в широком диапазоне и многосторонности

Изменение параметров транзистора

Изменение параметров транзистора Транзистор Q2N2222 использовался в предыдущих примерах как типичный элемент, применяемый в реальных схемах. Если вы работаете в лаборатории с транзистором, коэффициент усиления которого hFE значительно меньше, можно изменить схему, чтобы

Изменение характеристик транзистора

Изменение характеристик транзистора В примере на рис. 10.13 коэффициент усиления BF-транзистора был установлен в команде описания модели:.MODEL BJT NPN(BF=80)Изменим в Capture это значение, возвратившись к схеме и выделив транзистор. Из главного меню выберем Edit, PSpice model. Когда на экране

Урок 5 Анализ частотных характеристик AC Sweep

Урок 5 Анализ частотных характеристик AC Sweep Изучив материал этого урока, вы узнаете, как с помощью анализа AC Sweep моделировать и графически представлять в программе-осциллографе PROBE частотные характеристики, а также провести линейное или логарифмическое форматирование

8.

3.1. Упражнения по анализу частотных характеристик

8.3.1. Упражнения по анализу частотных характеристик  Загрузите на экран SCHEMATICS схему RLC_MIX1.sch, изображенную на рис. 5.19, если вы еще не удалили ее из папки Projects, либо начертите эту схему заново (рис. 8.18). Рис. 8.18. LC_НЧ_фильтр с крутизной фронта 12 дБ на октавуШаг 22 С помощью анализа

Урок № 96. Анализ счета и анализ субконто

Урок № 96. Анализ счета и анализ субконто Анализ счета также относится к числу популярных отчетов программы «1С». Чтобы сформировать этот отчет, нужно выполнить команду главного меню Отчеты | Анализ счета, затем в открывшемся окне указать отчетный период, счет и

2.6. Присваивание характеристик динамическим эффектам

2.6. Присваивание характеристик динамическим эффектам Постановка задачи Вероятно, вас устраивает стандартная физика, по умолчанию встроенная в динамические поведения из UIKit. Но при работе с элементами, которыми вы управляете с помощью динамических поведений, может

Просмотр характеристик класса

Просмотр характеристик класса Последняя страница Class Info диалоговой панели ClassWizard позволяет просмотреть основные характеристики класса, изменить фильтр сообщений Windows, изменить внешний класс и внешние переменные.Выберите из списка Class name имя интересующего вас класса. В

Сводная таблица характеристик узлов

Сводная таблица характеристик узлов Для удобства использования мы можем свести в одну таблицу (табл. 3.1) такие характеристики узлов, как строковое значение, локальная часть имени, пространство имен и так далее.Таблица 3.1. Характеристики различных типов узлов Тип

Измерение психологических характеристик

Измерение психологических характеристик Сказанное выше о методах измерения признаков почерка во многом относится и к измерению психологических характеристик. Их степень также меняется от О до 1, то есть от полного отсутствия до абсолютно явного присутствия. В сущности,

Улучшение характеристик работы SAP

Улучшение характеристик работы SAP Крайне важно определить корректные меры для оценки эффективности компании, ее способности в достижении намеченных целей. Система SAP в значительной степени способствует мониторингу и управлению мерами по улучшению эффективности (Measures of

2.4. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ (СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ) И ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛЕЙ

2.4. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ (СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ) И ФОРМУЛИРОВКА ЦЕЛЕЙ Задача оптимизации разработки программ состоит в достижении целей при минимально возможной затрате ресурсов.Системный анализ в отличие от предварительного системного исследования — это

принцип действия и режим их работы, схемы включения и способы проверки на работоспособность

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE, и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IB, сильно меняется ток коллектора IС. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r
  э,
  r
  к,
  r
  б, которые представляют собой:
  r
  э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
• r
  к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
• r
  б — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление

— сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.
h
11 =
U
m1/
I
m1, при
U
m2 = 0

Коэффициент обратной связи по напряжению

показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.
h
12 =
U
m1/
U
m2, при
I
m1 = 0.

Коэффициент передачи тока

(коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.
h
21 =
I
m2/
I
m1, при
U
m2 = 0.

Выходная проводимость

— внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.
h
22 =
I
m2/
U
m2, при
I
m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:
U
m1 =
h
11
I
m1 +
h
12
U
m2;
I
m2 =
h
21
I
m1 +
h
22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I

m1 =
I
mб,
I
m2 =
I
mк,
U
m1 =
U
mб-э,
U
m2 =
U
mк-э. Например, для данной схемы:
h
21э =
I
mк/
I
mб = β.

Для схемы ОБ: I

m1 =
I
mэ,
I
m2 =
I
mк,
U
m1 =
U
mэ-б,
U
m2 =
U
mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h

-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

;

;

.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C

к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода
C
э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода
r
э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются
граничными частотами коэффициента передачи тока
для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения

транзистора называется τвкл = τз + τф.

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Посчитаем Ibmax и Ibmin с помощью закона Ома:

Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1.
• Малое входное сопротивление.

Схема включения с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
  Схема включения с общим эмиттером
• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

Большой коэффициент усиления по току.

• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
  Схема включения с общим коллектором
• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Расчёт характеристик биполярных транзисторов

Федеральное агентство по образованию

Дальневосточный государственный технический университет

(ДВПИ  им. В.В. Куйбышева)

 

 

Кафедра «Радио, телевидения и связи»

 

 

 

 

 

 

 

 

Физические основы электроники

 

 

Расчёт характеристик биполярных транзисторов

(курсовая работа)

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент гр.

Принял преподаватель

________________________

Дата  ___________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Владивосток

2012

Содержание:

1 задание по курсовой работе

2 построение входных характеристик для двух значений напряжений коллектор – эмиттер

3 построение входных характеристик при  = 3В для трёх значений температуры номинальной, максимальной и минимальной

4 построение семейства (пять кривых для номинальной температуры и пять кривых для минимальной температуры) выходных характеристик

5 по построенным характеристикам определяем h – параметры исследуемого транзистора

6 вычисляем значения h – параметров для схемы, с ОБ и внутренние физические параметры транзистора.

7 список используемой литературы

 

1 Задание по курсовой работе

По исходные данным в работе необходимо рассчитать и построить семейства входных и выходных статических характеристик биполярного транзистора, включённого по схеме с ОЭ, определить по этим характеристикам  h– параметры (внешние), а также  физические (внутренние) параметры транзистора. -19

Сопротивление области коллектора

Предельное значение тока коллектора

Номинальная температура

Минимальная температура

Максимальная температура

 

 

 

4.5

100

+25

-20

+50

 

 

 

 

2 Построение входных характеристик для двух значений напряжений коллектор – эмиттер

  Строим входные характеристики  для двух значений напряжения коллектор – эмиттер  = 0В и = 3В, значения напряжения база – эмиттер  при этом изменяются в интервале (0,4 – 1)В, а предельное значение тока базы рассчитывается по выражению, значение

(предельная величина тока коллектора).

Для нахождения входных характеристик транзистора воспользуемся формулой:

При = 0В формула примет вид:

При = 3В формула примет вид:

Построим для них графики:

3 Построение входных характеристик при  = 3В для трёх значений температуры номинальной, максимальной и минимальной

Строим входные характеристики при  = 3В для трёх значений температуры номинальной, максимальной и минимальной.

При t=+25C формула примет вид:

При t=+80C формула примет вид:

При t=-50C формула примет вид:

Построим для них графики:

4 Построение семейства (пять кривых для номинальной температуры и пять кривых для минимальной температуры) выходных характеристик

Строим семейство (пять кривых для номинальной температуры и пять кривых для температуры) выходных характеристик. Семейства выходных характеристик строятся при условиях:

— напряжение  задаётся в интервале от 0В до 10В;

— шаг изменения ? выбирается из выражения , где

соответствует максимальному значению тока базы , определённому при построении входных характеристик;

— значения = ?n (где n = 1,2,3,4,5 – номер каждой из пяти выходных характеристик) подставляются в выражение (3.2) при построении этих характеристик;

— токи базы, соответствующие каждому из значений = ?n, определяются по входной характеристике и являются параметром каждой из выходных характеристик;

Для нахождения выходных характеристик транзистора воспользуемся формулой:

 

 

 

 

При t=+25C и ?=1*0. 153368 формула примет вид:

При t=+25C и ?=2*0.153368 формула примет вид:

При t=+25C и ?=3*0.153368 формула примет вид:

При t=+25C и ?=4*0.153368 формула примет вид:

При t=+25C и ?=5*0.153368 формула примет вид:

 

Построим для них графики:

 

При t=50C и ?=1*0.16623 формула примет вид:

При t=50C и ?=2*0.16623 формула примет вид:

При t=50C и ?=3*0.16623 формула примет вид:

При t=50C и ?=4*0.16623 формула примет вид:

При t=50C и ?=5*0.16623 формула примет вид:

Построим для них графики:

5 По построенным характеристикам определяем h – параметры исследуемого транзистора

По построенным характеристикам определяем h – параметры исследуемого транзистора. Для этого воспользуемся формулами:

h_11Э = ?U_Б/ ?I_Б

h_12Э = ?U_Б/?U_К

h_21Э = ?I_К/?I_Б 

h_22Э= ?I_К/?U_К  

По графику входных характеристик определим параметры h_11Э  и h_12Э:

 

Вычисляем:

По графику выходных характеристик определим параметры h_21Э  и h_22Э:

Вычисляем:

 

6 Вычисляем значения h – параметров для схемы, с ОБ и внутренние физические параметры транзистора.

Вычисляем значения h – параметров, для схемы с ОБ и внутренние физические параметры транзистора. Для этого воспользуемся формулами:

Вычисляем:

 

7 Список используемой литературы:

1. Физические основы электроники: метод. Указания / сост. Беляев Ю.В., Галочкин Ю.И. – Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2009. – 25 с

2. Галочкин Ю.И. Физические основы электроники: учеб. пособие. / Ю.И. Галочкин. – Владивосток: Изд – во ДВГТУ, 2008. – 155 с.

3. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы(учебник для ВУЗов), М., Энергоатомиздат, 1990.

4. В.В. Пасынков, В.С. Сорокин Материалы электронной техники : Учебник для студ. Вузов по спец. Электронной техники. 3-е изд. – СПб.; Издательство «Лань», 2001. – 368 с.

5. Батушев В.А. Электронные приборы. М.,  Высшая школа, 1980.

6. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. Санкт-Петербург, 1998.

 

 

 

 

 

Теги: Расчёт характеристик биполярных транзисторов  Контрольная работа  Радиоэлектроника
Просмотров: 12259
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Расчёт характеристик биполярных транзисторов

Лабораторная работа №5 (№19) характеристики и параметры биполярных транзисторов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №16 Цель работы: 1. Изучить свойства биполярного транзистора путем снятия входных и выходных характеристик. Освоить расчет h параметров по характеристикам транзистора. 1. Указания к работе Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, имеющий два p—n перехода и служащий для усиления и генерирования электрических колебаний. Основным элементом транзистора является кристалл полупроводникового материала, в котором созданы три области различных проводимостей. Средняя область, образованная полупроводником с электронным или дырочным типом проводимости, называется базой. Ширина базы делается очень малой. Две крайние области, одна из которых называется эмиттером, а другая — коллектором, обладают проводимостью одинакового типа, противоположной проводимости базы, и на несколько порядков выше проводимости базы. Эмиттер является источником основных носителей заряда (электронов или дырок), а коллектор их приемником. Если внешние области имеют проводимость p типа — прибор называют транзистором типа p—n—p, если же внешние области имеют проводимость типа n, то прибор называют транзистором типа n—p—n. а) б) Рис.1. Графическое изображение транзисторов Условное графическое изображение транзистора типа p—n—p приведено на рис.1,а, транзистора типа n—p—n на рис.1,б. Дальнейшее изложение дается применительно к транзистору типа p—n—p. Наиболее важным режимом работы транзистора является активный. В этом режиме к эмиттерному переходу приложено напряжение в прямом направлении, то есть положительный полюс эмиттерного источника энергии Еэ подключен к эмиттеру. (В литературе часто употребляется термин ’’переход смещен в прямом направлении’’). К коллекторному переходу приложено напряжение в обратном направлении, то есть отрицательный полюс коллекторного источника энергии Ек подключен к коллектору (переход смещен в обратном направлении). Под действием напряжения эмиттерного источника энергии Еэ происходит инжекция (переход) дырок из эмиттера в базу, для которой они являются неосновными носителями. Электроны базы инжектируются в эмиттер, в котором они также становятся неосновными. Но так как проводимость базы много меньше проводимости эмиттера, число дырок, поступающих из эмиттера в базу, значительно превышает число электронов, перешедших из базы в эмиттер. Следовательно, ток через эмиттерно-базовый переход обусловлен практически одними дырками. Дырки, инжектированные в базу, частично рекомбинируют с электронами базы, которые образуют ток базы (рис. 2). Но так как ширина базы мала, почти все дырки пересекают базу и достигают коллекторного перехода. В области коллекторного перехода дырки попадают в электрическое поле, создаваемое источником Ек. Это поле является для дырок ускоряющим и они втягиваются в коллектор, создавая ток коллектора Iк. Величина тока Iк, как следует из первого закона Кирхгофа, определяется уравнением 1: Iк = Iэ — Iб , (1) а так как ток базы мал, можно считать, что Iк = Iэ . (2) а) б) Рис. 2. а) токораспределение в транзисторе; б) включение транзистора по схеме с общей базой. о — дырки,  — электроны Изменяя напряжение, приложенное к эмиттерно-базовому переходу, можно менять количество дырок, поступающих из эмиттера в базу, и, следовательно, изменять ток коллектора. Таким образом, принцип действия транзистора заключается в управлении потоком неосновных носителей базы, поступающих в коллектор. Так как сопротивление коллекторного перехода на несколько порядков выше сопротивления эмиттерного перехода, в цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением Rн, больше чем сопротивление эмиттерного перехода Rэ. Включение такой нагрузки не изменит режима работы переходов. В этом случае падение напряжения на нагрузочном резисторе будет Uн = Iк Rн, а напряжение на эмиттерном переходе Uэ = IэRэ, а так как Rн >> Rэ, и с учетом соотношения (2), Uн >> Uэ , (3) то есть имеет место усиление по напряжению. Входная мощность, затрачиваемая в эмиттерной цепи Pвх = Iэ Uэ выходная мощность, выделяющаяся в нагрузочном резисторе будет Pвых = Iк Uн. С учетом соотношений (2) и (3) Pвых >> Pвх, (4) и, следовательно, имеет место усиление по мощности. Рис. 3. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером Аналогичные результаты получаются и в случае подачи на эмиттерный переход переменного напряжения. Дополнительная мощность, выделяющаяся на нагрузочном резисторе получается за счет коллекторного источника энергии Ек. Транзистор, таким образом, управляет энергией коллекторного источника, заставляя ее изменяться по закону изменения входного напряжения. Очевидно, что усиление по напряжению и мощности будет тем больше, чем больше ток коллектора, то есть чем большая часть дырок, инжектированных эмиттером, будет переноситься в коллектор. Эффективность этого процесса характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера (), которым называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении между коллектором и базой, то есть Uк.б. = const. (5) Ясно, что чем больше коэффициент передачи тока, тем выше коэффициенты усиления по напряжению и мощности. Как следует из выражений (1) и (5), коэффициент передачи тока эмиттера всегда меньше единицы. Для современных транзисторов он достигает значений 0,950 — 0,998. В рассматриваемой схеме общей точкой входной и выходной цепей является база, поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой (ОБ). Однако на практике наиболее часто используется схема с общим эмиттером (ОЭ) (рис.3). Физические процессы в транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, аналогичны описанным выше. Но так как входным током в этой схеме является ток базы, который как указывалось выше, очень мал, коэффициент передачи тока базы () значительно больше, чем коэффициент передачи тока эмиттера. Uк.э. = const. (6) Совместное решение уравнений (1),(5) и (6) дает: . (7) Анализ уравнения (7) показывает, что  может достигать нескольких десятков. Поэтому коэффициенты усиления по напряжению и по мощности в этом случае также будут значительно выше. Независимо от схемы включения транзистора, величина выходного тока (i2) (в рассмотренных схемах — ток коллектора), определяется величинами входного тока (i1) (в схеме с ОБ — ток эмиттера, в схеме с ОЭ — ток базы) и выходного напряжения (u2) (в схеме с ОБ — напряжение между коллектором и базой, в схеме с ОЭ — напряжение между коллектором и эмиттером), то есть . (8) Функцией тех же переменных является величина входного напряжения (u1) (в рассмотренных схемах напряжение на эмиттерном переходе), то есть (9) Следовательно, для входного напряжения и выходного тока можно записать выражения полных дифференциалов (10) (11) Частные производные, входящие в уравнения (10) и (11), называются h — параметрами транзистора. Их величины характеризуют качество транзистора и возможность его работы в том или ином устройстве. Частная производная определяет зависимость входного падения напряжения от входного тока при постоянном выходном напряжении u2; этот параметр называется входным сопротивлением и обозначается h11. h11 = du2 = 0 (12) У современных транзисторов входное сопротивление в схеме с ОЭ должно составлять несколько сотен Ом. Частная производная определяет зависимость входного напряжения от выходного напряжения при постоянном входном токе i1; этот параметр безразмерный, он называется коэффициентом обратной связи и обозначается h12. h12 = di1 = 0 (12) Величина коэффициента обратной связи обычно очень мала и в большинстве практических расчетов транзисторных устройств им пренебрегают. Частная производная определяет зависимость выходного тока от входного при постоянном выходном напряжении u2. Этот параметр безразмерный, он называется коэффициентом передачи тока и обозначается h21. h21 = du2 = 0 (14) Чем больше этот параметр, тем выше коэффициенты усиления по напряжению и мощности. Частная производная определяет зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Этот параметр имеет размерность проводимости, называется выходной проводимостью транзистора и обозначается h22. h22 = di1 = 0 (15) Рис. 4. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ Значение этого параметра определяет величину сопротивления нагрузочного резистора, который может быть включен в выходную цепь. h — параметры легко рассчитать по семействам характеристик транзистора. Различают входные характеристики, которые определяют зависимость входного тока i1 от входного напряжения u1 при постоянном выходном напряжении u2; а также выходные характеристики, определяющие зависимость выходного тока i2 от выходного напряжения u2 при постоянном входном токе i1. Входная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ — Iб = f(Uэ.б.) при Uк.э. = 0 подобна вольтамперной характеристике полупроводникового диода в прямом направлении (рис.4). Так как коллекторно-базовый переход включен в обратном направлении, при увеличении напряжения на коллекторе ширина запирающего слоя коллекторного перехода будет расти, а ширина базы соответственно — уменьшаться. За счет этого уменьшится рекомбинация носителей в базе и ток базы. Следовательно, характеристика сместится вниз (рис. 4, кривая Uк.э.1). Для определения параметров транзистора, на прямолинейном участке входных характеристик строится треугольник АВС. Сторона ВС этого треугольника дает приращение тока базы при изменении напряжения на величину =АВ при Uкэ = сonst. Тогда h11 = Uкэ = сonst. (16) При неизменном токе базы, например, Iб1 = const, изменение коллекторного напряжения на величину как видно из рис.4, должно приводить к изменению входного напряжения на величину =АВ. Тогда h12 = Iб = const (17) Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, представляет зависимость Iк = f(Uкэ) при Iб = const. Так как коллектор образован дырками эмиттера, он мало зависит от коллекторного напряжения. Тем не менее при увеличении коллекторного напряжения, как уже говорилось, происходит уменьшение ширины базы и уменьшение рекомбинации в базе. Рис. 5. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ В силу постоянства базового тока число электронов, поступающих в базу остается неизменным. За счет этого потенциал базы относительно эмиттера понижается и увеличивается число дырок, поступающих в базу из эмиттера. В соответствии с уравнением (2) это приводит к росту тока коллектора. При постоянном напряжении между эмиттером и коллектором, например, при Uкэ1 = const (рис.5), изменение тока базы от Iб1 до Iб2, то есть на величину = Iб2 — Iб1, приводит к увеличению тока коллектора на величину = Iк2 — Iк1. Тогда h21 = Uкэ = const (18) При постоянном токе базы , например Iб1 = const изменение напряжения между коллектором и эмиттером на величину приводит к изменению тока коллектора на величину = Iк3 — Iк1 (рис. 5). Тогда h22 = Iб = const (19) 2. Рабочее задание Ознакомьтесь с оборудованием стенда. Занесите технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, в таблицу 1. Соберите цепь, изображенную на рис. 6. Регуляторы напряжения, обозначенные ’’0 — 0,5 В’’ и ’’0 — 30 В’’, выведите в крайнее положение в направлении, противоположном движению часовой стрелки. Рис. 6. Рабочая схема для снятия характеристик транзистора Таблица 1 Наименование и марка прибора Система измерения Класс точности прибора Диапазон измерения прибора 4. Тумблер переключения пределов измерения миллиамперметра, включенного в цепь коллектора, установите в положение ’’20’’. Предъявите цепь для проверки преподавателю. Автоматическим выключателем АП включите блок питания стенда; при этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа. Замкните тумблер ’’24 В’’, расположенный на панели блока питания; при этом на панели блока ’’транзистор’’ должна загореться сигнальная лампа. Регулятором напряжения, отмеченным знаком ’’0 — 30 В’’, установите напряжение между коллектором и эмиттером, заданное преподавателем. Для 8 — 10 значений напряжения между эмиттером и базой в диапазоне от 0 до 0,2 В измерьте величину тока базы. Напряжение между эмиттером и базой изменяйте регулятором напряжения, отмеченным знаком ’’0 — 0,5 В’’. ВНИМАНИЕ! Следите за постоянством напряжения между коллектором и эмиттером. Не увеличивайте базовый ток свыше 0,5 мА. Показания приборов занесите в таблицу 2. Таблица 2 Uк.э.= , В Uк.э.= , В Uэ.б., В Iб, мА Uэ.б., В Iб, мА Выполните пункт 3. Тумблер переключения пределов измерения миллиамперметра, включенного в цепь коллектора, установите в положение ’’10’’. Регулятором напряжения, отмеченным знаком ’’0 — 0,5 В’’, установите ток базы, заданный преподавателем. Для 6 — 8 значений напряжения между коллектором и эмиттером, указанных преподавателем, измерьте величину тока коллектора. Напряжение между коллектором и эмиттером изменяйте регулятором напряжения, отмеченным знаком ’’0 — 30 В’’. ВНИМАНИЕ! Следите за постоянством тока базы. Показания приборов занесите в таблицу 3. Выполните пункт 3. 15. Разомкните тумблер ’’24 В’’, расположенный на панели блока питания; при этом на панели блока ’’транзистор’’ должна погаснуть сигнальная лампа. Таблица 3 Iб= ,мА Iб= ,мА Uк.э., В Iк, мА Uк.э., В Iк, мА 0,0 0,0 0,5 0,5 1,0 1,0 1,5 1,5 2,0 2,0 4,0 4,0 6,0 6,0 8,0 8,0 10,0 10,0 16. Отключите блок питания стенда; при этом на панели блока питания должна погаснуть сигнальная лампа. 3. Обработка результатов На миллиметровой бумаге постройте графики зависимостей Iб = f(Uэ.б.) и Iк = f(Uк.э.). Рассчитайте h параметры транзисторов. Сделайте вывод о влиянии напряжения между эмиттером и базой на величину тока базы. Сделайте вывод о влиянии напряжения между эмиттером и коллектором на величину тока базы при постоянном напряжении между эмиттером и базой. Сделайте вывод о влиянии напряжения между эмиттером и коллектором на величину тока коллектора при постоянном токе базы. Сделайте вывод о влиянии тока базы на величину тока коллектора при постоянном напряжении между коллектором и эмиттером. 4. Содержание отчета Наименование и цель работы. Схема экспериментальной установки. Технические данные электроизмерительных приборов. Таблицы экспериментальных данных. Графики полученных зависимостей. Выводы. 5. Контрольные вопросы. В чем состоит принцип действия транзистора? Какими носителями образован ток эмиттера транзистора типа p — n — p? Какими носителями образован ток базы транзистора типа p — n — p? Какими носителями образован ток коллектора транзистора типа p — n — p? Что такое коэффициент передачи тока эмиттера? Что такое коэффициент передачи тока базы? Запишите связь между коэффициентами передачи тока эмиттера и базы? Назовите параметры транзистора и дайте их физическое толкование? Что такое обратный ток коллектора Iко, каковы причины его возникновения? Как зависит величина концентрации неосновных носителей в полупроводнике от температуры? Как меняется положение выходных характеристик транзистора при повышении температуры? При каком включении транзистора влияние температуры на выходные характеристики сказывается наиболее сильно? Каталог: dept -> orgchem -> electro -> lab rab dept -> Образовательная программа профессиональной переподготовки врачей по специальности «Лечебная физкультура и спортивная медицина» lab rab -> Лабораторная работа №13 вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов lab rab -> Лабораторная работа №15 исследование линейной электрической цепи при периодических несинусоидальных токах lab rab -> Лабораторная работа №24 Исследование свойств ферромагнитных материалов lab rab -> Исследование температурной зависимости сопротивления окислов металлов с высоким температурным коэффициентом сопротивления electro -> Вопросы для самопроверки lab rab -> Лабораторная работа №2 Испытание однофазного трансформатора orgchem -> sp2. doc [Трофимовская] жүктеу/скачать 354.5 Kb. Достарыңызбен бөлісу:

BJT: Определение, Символ, Работа, Характеристики, Типы и Применение

Привет, друзья! Я надеюсь, что эта статья покажется вам счастливыми, здоровыми и довольными. Сегодня мы собираемся обсудить один из наиболее широко известных типов транзисторов, о котором вы, возможно, слышали много раз, когда читали о транзисторах. Исследуемый транзистор — это не что иное, как «транзистор с биполярным переходом», также известный как BJT. В этой статье мы рассмотрим основы транзистора с биполярным переходом, включая его значение, определение, типы, характеристики и области применения. Итак, приступим.

Определение BJT

BJT в его полной форме записывается как транзистор с биполярным переходом, и мы можем определить его как «Транзистор с биполярным переходом представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, которое состоит из двух PN-переходов внутри своей структуры и в основном используется для усиления тока».

История транзистора с биполярным переходом_ BJT

• До появления транзисторов с биполярным переходом в очень дорогих электронных схемах использовались вакуумные лампы, которые также были доступны в виде триода, который представлял собой трехполюсное устройство, подобное транзистору. тогда.
• Ламповые триоды оставались раскрученной вещью почти полвека, но они занимали много места и были менее надежны в использовании, другим существенным недостатком было увеличение осложнений, связанных с током, напряжением и т.д. увеличение количества вакуумных триодов в схеме.
• Поэтому, когда ученые покончили с управлением электронами внутри вакуумной трубки и ее непослушным поведением, они начали изобретать другие способы запуска и управления цепями.
• Наконец, в 1947 году усилиями Джона Уолтера и Бардина было создано грубое устройство с двухточечным контактом, которое было далеко не современным биполярным транзистором, но заложило основу для конструкции твердотельного транзистора, когда раньше все был вакуум!
• После этого малоизвестного предприятия Уильям Шокли предпринял успешную попытку создать транзистор с биполярным переходом, сжав вместе пластины из полупроводниковых материалов.
• И знаете что? Уильям Шокли, Джон Уолтер и Бардин были удостоены Нобелевской премии за свои достижения в 1956 году.
• Изобретение транзисторов с биполярным переходом произвело невообразимую революцию в мире электроники.
• До последних десятилетий 19 века биполярные транзисторы изготавливались индивидуально в виде отдельных компонентов и отдельных устройств, но позже, с изобретением интегральных схем, в мире произошла еще одна электронная революция.

Характеристики BJT

Вот некоторые особенности транзисторов с биполярным переходом;

• БЮТ, под которым мы подразумеваем биполярный переходной транзистор, является устройством, управляемым током, позже вы узнаете, как оно работает. Продолжай читать!
• Как следует из названия, BJT является биполярным устройством, что означает, что он использует как электроны, так и дырки в качестве носителей заряда для выполнения своей функции.

Символ BJT

Транзистор с биполярным переходом, коротко известный как BJT, состоит из следующих трех компонентов;

• Базовый
• Излучатель
• Коллектор
• Все три компонента представлены нижеприведенным символом B, E и E.

См. приведенную ниже схему, на которой показаны символы транзисторов с биполярным соединением NPN и PNP;

• Направление тока указано направлением стрелки.
• Символы для разных типов BJT соответственно различаются, не путайте себя, когда увидите два или более немного отличающихся друг от друга!

Принцип работы транзистора с биполярным переходом

• Принцип работы транзистора NPN и PNP почти одинаков, оба они отличаются проводимостью тока через носители заряда на основе большинства и меньшинства носителей заряда.
• Транзистор с биполярным переходом NPN имеет большую часть носителей заряда в виде электронов.
• Транзистор с биполярным переходом PNP имеет большую часть носителей заряда в виде дырок.
• Протекание тока не является результатом основных носителей заряда, несмотря на их количество, протекание тока обусловлено неосновными носителями заряда в транзисторе с биполярным переходом, поэтому их также называют устройствами с неосновными носителями.
• Переход эмиттер-база всегда смещен в прямом направлении.
• Переход коллектор-база, представленный CB, всегда смещен в обратном направлении.
• Ток эмиттера записывается как IE=IB + IC
• Если мы считаем, что базовый ток очень мал в реальных измерениях, то мы можем сказать, что; IE~IC

Типы биполярных транзисторов

Поскольку мы уже знаем основные компоненты биполярного переходного транзистора, теперь мы обсудим его тип. Биполярный переход Транзистор имеет следующие два типа;

• Биполярный транзистор NPN
• Биполярный транзистор PNP

На приведенном ниже изображении показаны типы BJT и их использование для разных целей;

Теперь мы подробно обсудим оба этих типа.

1. Биполярный транзистор NPN

Как видно из названия, в транзисторе с биполярным переходом NPN полупроводник p-типа зажат между двумя полупроводниками n-типа, как ломтик сыра между двумя сторонами булочки. Обратитесь к приведенной ниже диаграмме для лучшего понимания;

Согласно общепринятым правилам, когда ток проходит в определенный компонент транзистора, он помечается как положительный, а когда он выходит из компонента, он помечается как отрицательный. Как мы уже знаем, NPN-транзистор состоит из двух PN-переходов, выполненных сплавлением двух n-полупроводников с одним p-полупроводником. Область эмиттера n-типа сильно легирована из-за того, что она должна передавать носители заряда на базу. База не сильно легирована и очень тонкая по сравнению с эмиттером и коллектором, представьте себе размер ломтика сыра по сравнению с булочками! Он переносит носители заряда на соответствующий коллектор. Коллектор транзистора NPN умеренно легирован и, как следует из названия, собирает носители заряда с базы. Работа биполярного транзистора NPN

• Рассмотрим следующую принципиальную схему, чтобы понять, как работает биполярный транзистор NPN.

• Как уже было сказано, NPN Bipolar Junction Transistor имеет два PN перехода, поэтому для прямого смещения мы соединяем переход база-эмиттер с источником питания VBE.
• Соединение коллектор-база, представленное соединением CE, смещено в обратном направлении за счет подачи напряжения VCB.
• Область истощения двух PN-соединений различается по размеру, вы помните, что такое область истощения? Проще говоря, область истощения противостоит протеканию тока, она действует как барьер или блок для протекания тока и является областью, где нет мобильных электронов. Взгляните на приведенную ниже диаграмму,

• Вы, должно быть, задумались, почему область эмиттер-база имеет меньшую область обеднения, а переход коллектор-эмиттер шире? Позвольте мне решить это для вас, это связано с тем, что область база-эмиттер смещена вперед!
• Биполярный переход типа NPN Транзистор имеет большую часть электронов, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, электроны начинают течь к базе, которая слегка легирована, только несколько электронов будут соединяться с базовыми отверстиями, а остальные затем они отправятся к коллектору. Ток возникает из-за неосновных носителей заряда, как мы обсуждали ранее.
• Ток, протекающий через переход эмиттер-база, называется током эмиттера IB, а ток, протекающий через базу, называется током базы и обозначается IB.
• Базовый ток IB очень ограничен по сравнению с другими типами тока, присутствующими в цепи.
• Оставшиеся электроны, пропустившие рекомбинацию, проходят через область коллектор-база к коллектору, который создает ток коллектора IC.
• Ток эмиттера записывается как; IE = IB+IC

Биполярный транзистор PNP

• Биполярный транзистор PNP состоит из двух слоев полупроводника p-типа, между которыми находится слой полупроводника n-типа.
• Вход для тока — эмиттерная клемма в биполярном переходном транзисторе PNP.
• Базовый эмиттерный переход, представленный EB, в этом случае смещен в прямом направлении.
• На параллельных линиях коллекторно-базовый переход, представленный CB, смещен в обратном направлении.
• Ток эмиттера IE положительный, тогда как ток базы IB и ток коллектора IC отрицательный.
• Когда мы говорим о напряжении, VEB напряжение базы эмиттера положительное, тогда как VCB и VCE отрицательные.
Биполярные транзисторы
• NPN и PNP работают по одному и тому же принципу, единственное отличие состоит в том, что они имеют основные и неосновные носители заряда. Можете ли вы определить ток, протекающий в PNP-транзисторе, по изображению, приведенному ниже?

ВАХ биполярного транзистора

Чтобы изучить входные характеристики, выходные характеристики и общие токовые характеристики, нам необходимо понять различные конфигурации транзисторов с биполярным переходом. Существует три типа конфигураций биполярных транзисторов, перечислим все три;

• Общая базовая конфигурация
• Конфигурация с общим эмиттером
• Конфигурация с общим коллектором
• Во-первых, есть ли у вас какое-либо представление о характеристиках транзистора с биполярным переходом или каковы они? И как мы их определяем? Проще говоря, ВАХ транзистора с биполярным соединением — это просто графическое представление тока и напряжения транзистора.
• Чтобы изучить характеристики транзистора с биполярным переходом, мы рассмотрим различные режимы транзистора с биполярным переходом, которые вы видите на кривых.

Режимы работы биполярного транзистора

Есть три основных области, в которых работает биполярный транзистор;

• Активная область
• Насыщенная область
• Зона отсечки

Активная область транзистора с биполярным переходом

• In Активная область транзистора с биполярным переходом, в котором область коллектора-база смещена в прямом направлении, а переход эмиттер-база смещен в обратном направлении.
• В активной области биполярного переходного транзистора транзистор работает как усилитель.

Насыщенная область транзистора с биполярным переходом

В области насыщения биполярный переходной транзистор пропускает ток насыщения после достижения максимального значения порогового напряжения. В области насыщения наш биполярный переходной транзистор работает как переключатель, выключатель, а ток коллектора практически равен току эмиттера.

Зона отсечки транзистора с биполярным переходом

Как видно из названия, в этой области коллекторного тока в цепи нет. Транзистор закрыт, а коллектор находится в состоянии обратного смещения. Изображение, приведенное ниже, отражает общую историю напряжения BJT в разных регионах;

Поскольку мы закончили с областями и режимами, в которых работает наш транзистор с биполярным переходом, давайте обсудим различные конфигурации и их входные и выходные характеристики.

Общая базовая конфигурация биполярного транзистора

В конфигурации с общей базой базовая клемма биполярного переходного транзистора соединена с входной и выходной клеммами транзистора.

Входные характеристики Конфигурация биполярного транзистора с общей базой

• Входные характеристики построены между током эмиттера IE и напряжением эмиттер-база VEB для различных значений напряжения коллектор-база VCB.

• На графике четко прослеживается тенденция: эмиттерный базовый переход смещен в прямом направлении, поэтому эмиттерный ток IE увеличивается с увеличением значения VEB по мере увеличения напряжения коллекторной базы VCB.

Выходные характеристики биполярного транзистора с общей базой

• Выходные характеристики биполярного транзистора с общей базой построены между выходным напряжением VCB и выходным током IC. Для лучшего понимания следуйте приведенному ниже графику;

• Изменение тока эмиттера IE приводит к изменению значений тока коллектора IC.
• Ток эмиттера IE и базовое напряжение эмиттера VEB имеют положительное значение, поскольку область смещена в прямом направлении.
• На графике можно наблюдать активную область, фазу, в которой транзистор работает при максимальном потенциале.

Конфигурация с общим эмиттером биполярного транзистора

В конфигурации биполярного транзистора с общим эмиттером эмиттерная клемма подключается как к входной, так и к выходной клеммам, что вы уже знаете! Не так ли?

Входные характеристики Конфигурация с общим эмиттером биполярного транзистора

• График для конфигурации с общим эмиттером биполярного транзистора построен между базовым током IB и напряжением базового эмиттера VBE для возрастающих значений коллектор-эмиттер напряжение, как вы можете видеть на графике ниже;

• Из построенного графика ясно видно, что значение тока базы увеличивается с увеличением значения напряжения база-эмиттер.

Выходные характеристики Конфигурация с общим эмиттером биполярного транзистора

• Для конфигурации с общим эмиттером выходные характеристики строятся между током коллектора IC и переменными значениями напряжения коллектор-эмиттер VCE.
• График представляет работу биполярного переходного транзистора в трех областях, а именно в области насыщения, активной области и области отсечки.
• Активная область — это область, в которой ток увеличивается с напряжением, но не достигает своего максимального значения.
• Область насыщения представляет ток насыщения, когда напряжение достигает своего максимального значения. Сможете ли вы найти все упомянутые регионы на приведенном выше графике?

• В области отсечки область эмиттера смещена в обратном направлении с минимальной величиной тока.

Ранний эффект в транзисторе с биполярным переходом

• Вот еще один важный термин, который следует обсудить при обсуждении выходных характеристик транзистора с биполярным переходом, известный как Ранний эффект транзистора с биполярным переходом. Это явление занимает важное место. когда мы говорим о ВАХ биполярного транзистора. Итак, без дальнейших задержек давайте посмотрим, что такое Early Effect в BJT?
• Как некоторые из вас могли предположить, что Ранний эффект является одним из ранних проявлений коллекторного тока или чего-то подобного, позвольте мне лопнуть ваш пузырь, это определенно неправда! Ранний эффект в транзисторе с биполярным переходом назван в честь ученого Джеймса М. Эрли.
• Ранним эффектом в биполярном переходном транзисторе является изменение эффективной ширины базовой области за счет приложения напряжения коллектор-база VCB.
• Принципиальная схема, приведенная ниже, представляет ранний эффект в транзисторе с биполярным переходом;

• Вызывает увеличение обратного смещения перехода коллектор-база или, проще говоря, усиливает обратное смещение перехода коллектор-база, вызывая значительное уменьшение ширины области базы биполярного транзистора.
• Ранний эффект довольно важен для выходных характеристик конфигурации с общим эмиттером и общим коллектором.
• Из-за раннего эффекта в транзисторе с биполярным переходом ток коллектора, представленный IC, увеличивается за счет увеличения напряжения коллектор-эмиттер VCE.
• Для лучшего понимания рассмотрите следующий график;

Конфигурация с общим коллектором биполярного транзистора

Вы можете просмотреть следующие имена конфигурации общего коллектора, у всех нас есть псевдонимы и альтернативные имена, и то же самое касается этой конфигурации;

• Конфигурация с заземленным коллектором
• Цепь повторителя напряжения
• Цепь эмиттерного повторителя

• В конфигурации с общим коллектором биполярного транзистора клемма коллектора остается общей на входной и выходной клеммах схемы, так как мы находимся в конце нашего обсуждения, можете ли вы сказать, какая клемма является входной, а какая выходной терминал?
• Входная клемма — это место, где подается входной сигнал для базы, а выходная клемма — это точка, где получается выходной сигнал между коллектором и эмиттером.
• Важно отметить, что конфигурация с общим коллектором имеет очень высокое входное сопротивление.

Входные характеристики Конфигурация с общим коллектором биполярного транзистора

• Входные характеристики для конфигурации с общим коллектором биполярного транзистора построены между базовым током IB и напряжением базового коллектора VBC. Обратитесь к следующему графику для лучшего понимания,

• Ток базы IB представлен по оси y, а напряжение коллектор-база VCB представлено по оси x.
• Выходное напряжение VBC увеличивается с увеличением значения IB, вы можете следить за графиком для лучшего понимания.

Выходные характеристики биполярного транзистора с общим коллектором

• Выходные характеристики схемы с общим коллектором нанесены между током эмиттера IE и напряжением эмиттер-коллектор VCE. Следуйте графику для лучшего понимания;

• Выходное напряжение VCE отображается для различных значений от нуля до максимального диапазона.
• Вы можете наблюдать различные области для выходных значений, такие как область насыщения, активная область и область отсечки на графике. Я надеюсь, что теперь у вас есть четкое представление о том, что представляют эти области. Это те же соответствующие значения, которые мы изучали ранее в конфигурации эмиттер-коллектор.

Сравнение биполярного транзистора с другими транзисторами

Поскольку в последнее время мы обсуждали транзисторы, давайте сравним транзисторы с биполярным переходом с другими типами доступных транзисторов, таких как полевой транзистор FET и MOSFET, полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника. Следующий раздел поможет вам найти четкую разницу между BJT и FET.

 BJT vs FET/JFET

• Во-первых, оба этих транзистора принадлежат к двум разным семействам транзисторов.
• Биполярный переходной транзистор, как видно из названия, является биполярным, а JFET/FET — однополярным. Если вы не имеете никакого представления об униполярных и биполярных транзисторах, позвольте мне сказать вам, что они названы в честь процесса проводимости, в котором участвует только один тип носителей заряда, получивший название униполярных транзисторов, и тот, который требует обоих типов заряда. носители электроны, а также дырки, они называются биполярными транзисторами.
• Bipolar Junction Transistor — это устройство, управляемое током, а FET — устройство, управляемое напряжением.
• Биполярные транзисторы немного шумнее полевых транзисторов.
Биполярные транзисторы
• имеют более высокое входное сопротивление, чем полевые транзисторы.
• Биполярные транзисторы имеют меньшую термическую стабильность, чем полевые транзисторы
.
• Существуют три функциональных компонента биполярного переходного транзистора, называемые базой, эмиттером и коллектором, в то время как полевой транзистор имеет разные компоненты, называемые базой, истоком и стоком.
Транзисторы с биполярным переходом
• больше по размеру, чем JFET.
•  Транзисторы с биполярным переходом дешевле полевых транзисторов.

Как вы, возможно, уже знаете, полевые транзисторы Junction Field Effect Transistors являются типом полевых транзисторов, поэтому я не сделал отдельный заголовок для сравнения BJT сначала с полевыми транзисторами в целом, а затем по отдельности с JFET и MOSFET. Сравнение — это вор радости, поэтому этот предстоящий раздел о сравнении биполярных транзисторов будет последним для транзисторов с биполярным переходом. Давайте начнем;

 БЮТ и МОП-транзистор

Давайте теперь сравним транзисторы с биполярным переходом с MOSFET;

• BJT обозначает транзистор с биполярным соединением, а MOSFET обозначает полевые транзисторы на основе оксида металла.
• Транзистор с биполярным соединением является устройством, управляемым током, а полевой МОП-транзистор — устройством, управляемым напряжением.
• Транзистор с биполярным переходом состоит из трех компонентов, называемых эмиттер-коллектор и база, в то время как полевой МОП-транзистор состоит из четырех компонентов: корпуса, истока, стока и затвора.
• Выходом биполярного транзистора можно управлять, контролируя базовый ток, а выходом MOSFET можно управлять, контролируя напряжение затвора.
• Биполярный переход Транзистор имеет отрицательный температурный коэффициент, в то время как МОП-транзистор имеет положительный температурный коэффициент.
• Оба транзистора с биполярным переходом и MOSFET используются для переключения, но транзистор с биполярным переходом имеет низкую частоту переключения, в то время как MOSFET с высокой частотой переключения.
Транзистор с биполярным переходом
• — это биполярное устройство, а полевой МОП-транзистор — униполярное устройство.
• Биполярный переход Транзистор имеет высокий входной импеданс, в то время как МОП-транзистор имеет низкий входной импеданс.
• Биполярный переход Транзисторы немного шумнее, чем МОП-транзисторы.
• Биполярный переход Транзисторы используются в приложениях с низким током, тогда как МОП-транзисторы используются в приложениях с высокой мощностью.
МОП-транзисторы
• предпочтительнее для промышленного использования по сравнению с транзисторами с биполярным переходом из-за их более высокой эффективности.

Если вам нужен подробный обзор MOSFET, вы можете прочитать нашу подробную статью по этой теме, включая определение, типы, работу и приложения.

Применение транзистора с биполярным переходом

Когда мы закончили обсуждение основ и типов биполярных транзисторов, давайте обсудим некоторые из их применений. Мы уже знаем, что транзисторы с биполярным переходом просты и дешевле в производстве с меньшей эффективностью, чем другие современные транзисторы, такие как MOSFET, но все еще есть области, где используются только биполярные транзисторы, потому что, как говорится, старое — это золото! Давайте перейдем к последнему сегменту нашего обсуждения Биполярные транзисторы имеют бесчисленное множество применений, но вот краткий список, который вы должны пройти, прежде чем мы подробно изучим применение транзисторов с биполярным переходом;

• BJT можно использовать в схемах ограничения, для подробного обзора этого вы можете прочитать нашу статью о транзисторах.
Биполярные переходные транзисторы
• используются для демодуляции сигнала.
• Мы используем BJT для усиления тока из-за его характеристик усиления по току.
• Высокочастотные приложения, такие как радиочастоты, также включают транзисторы с биполярным переходом.
Транзисторы с биполярным соединением
• используются в дискретных схемах из-за их легкой доступности и низкой стоимости производства.
Биполярные транзисторы
• часто используются в аналоговых схемах.

Теперь пришло время подробно обсудить применение биполярного транзистора;

1. BJT как коммутатор

• Вы можете легко догадаться, как BJT может работать как коммутатор, поскольку мы уже подробно обсуждали его работу. Давайте кратко рассмотрим процесс;
• Когда мы должны использовать биполярный переходной транзистор в качестве переключателя, нам нужно держать нашу схему в напряжении, то есть мы должны постоянно изменять ток между фазой насыщения и фазой отсечки биполярного переходного транзистора. Можете ли вы вспомнить обе фазы? В случае, если вы не можете прокрутить вверх и прочитать его снова.
• В фазе отсечки происходит обратное смещение перехода коллектор-база, и мы не получаем никакого тока.
• Между тем, в фазе насыщения биполярного переходного транзистора он работает на своем максимальном потенциале.
• Когда биполярный транзистор работает в области насыщения, в цепи нет падения напряжения и он пропускает максимальный ток в соответствии с его определенной емкостью, в этом состоянии мы принимаем его как замкнутый переключатель.
• На параллельных линиях в области отсечки ток отсутствует из-за обратного смещения, поэтому можно сказать, что наш биполярный переходной транзистор работает как разомкнутый ключ.
• Теперь вы знаете, как наш транзистор с биполярным переходом, также известный как BJT, работает в качестве переключателя.

2. Биполярный транзистор в качестве усилителя

• Если вы помните характеристики биполярного транзистора, вы, возможно, помните, что биполярный транзистор действует как усилитель, когда он работает в области насыщения.
• Коэффициент усиления по току транзисторов с биполярным переходом зависит от альфа- и бета-характеристик транзистора.
• Из-за огромного коэффициента усиления по току биполярный переходной транзистор используется в усилителях в разных конфигурациях, которые мы уже подробно обсуждали, можете вспомнить какую-нибудь из них? Не беспокойтесь, я снова перечисляю их троих;
• Конфигурация с общей базой
• Конфигурация с общим эмиттером
• Конфигурация с общим коллектором

3. Биполярные переходные транзисторы в логических элементах

• Кто не был в мире логических элементов, если он или она так или иначе связаны с миром электроники! Я всегда был в отношениях любви-ненависти с логическими воротами.

Логика с эмиттерной связью

• Биполярные переходные транзисторы являются важной частью ECL, логики с эмиттерной связью.
• ECL никогда не работают в режиме насыщения, они имеют высокий входной импеданс и низкий выходной импеданс.
• Ток продолжает течь между парой ECL, следовательно, каждый вентиль постоянно продолжает потреблять ток, можете ли вы назвать какие-либо недостатки, которые это может вызвать? Позвольте мне решить это для вас, ECL рассеивает больше энергии, чем другие семейства транзисторов.
• Логика, связанная с эмиттером, также называется;

• Логика текущего режима CML
• Логика эмиттерного повторителя переключателя тока CSEMFL
• Логика текущего режима CML

Слияние МОП-транзистора и биполярного транзистора

• Еще одна новинка, получившая широкую известность, — это слияние МОП-транзистора и биполярного транзистора, создающее BiCMOS, биполярную КМОП-структуру, в которой используются преимущества как транзистора с биполярным переходом, так и МОП-транзистора.
• Если вы пытаетесь понять значение этой буквы C в BiCMOS, пожалуйста, не открывайте новую вкладку, я дам вам знать, это означает Комплементарный металл-оксид-полупроводник, спасибо позже!

4.

Транзисторы с биполярным переходом в качестве логарифмического преобразователя

• Изменения в переходах BJT являются логарифмическими, так как мы уже знаем, что напряжение нашего база-эмиттер изменяется с изменением нашего алгоритма тока в коллектор-эмиттер и тока база-эмиттер при разных режимах смещения.
• Таким образом, благодаря этой особенности и предсказуемости биполярных транзисторов, мы можем легко создать биполярный транзистор для вычисления логарифмов и антилогарифмов в любой схеме.
• Вы, должно быть, думаете, что для этой цели мы можем визуализировать и диод, почему мы не используем вместо него диод? Ответ заключается в высокой гибкости схемы и стабильности транзистора с биполярным переходом, чего не может обеспечить диод.

5. Биполярные транзисторы в датчиках температуры

• В предыдущем разделе мы обсуждали, что температурный коэффициент для биполярных транзисторов мал, поэтому благодаря этому свойству их можно использовать в качестве датчиков температуры.
• Теперь вы, должно быть, думаете, как мы можем это сделать на практике, ведь есть простой метод измерения температуры.
• Переход база-эмиттер BJT имеет очень стабильную и предсказуемую функцию передачи тока, которая зависит от температуры, поэтому транзисторы с биполярным переходом используются в датчиках температуры.
• Существует следующая зависимость между током и напряжением двух переходов при разных температурах;

В вышеупомянутом уравнении;

• К — постоянная Больцмана
• T — температура в Кельвине
• VBE — ток базового эмиттера
• IC1 и IC2 — выходной ток при одинаковой температуре на двух разных переходах.

Итак, друзья, этот последний сегмент приложений BJT завершает наше обсуждение транзистора с биполярным переходом. Я предполагаю, что вы узнали что-то новое из статьи, я знаю, что некоторые части также немного трудны для понимания, особенно если вы читаете ее в первый раз, но не волнуйтесь, по-человечески невозможно понять все. сразу же, дайте ему еще один шанс, даже если это биполярный транзистор или что-то еще в вашей жизни, второй поворот никому не повредит! Скоро увидимся с другим обсуждением, Хорошего дня впереди!

Характеристики биполярных транзисторов

В самом конце предыдущей части статьи было сделано «открытие». Его смысл в том, что малый ток базы управляет большим током коллектора. Это как раз основное свойство. транзистор, его способность усиливать электрические сигналы. Чтобы продолжить дальнейшее повествование, необходимо понять, насколько велика разница этих токов, и как происходит это управление.

Чтобы лучше запомнить о чем идет речь, на рис. 1 показан n-p-n транзистор с подключенными к нему источниками питания цепей базы и коллектора. Этот рисунок уже был показан. в предыдущей части статьи.

Небольшое замечание: все, что сказано о транзисторе структуры n-p-n, вполне справедливо и для транзистора p-n-p. Только в этом случае следует поменять полярность источников питания. А в самом описании «электроны» следует заменить на «дырки», где бы они ни встречались. Но в настоящее время более современными, более востребованными являются транзисторы структуры n-p-n, поэтому в основном рассказывают именно о них.

Рисунок 1.

Маломощный транзистор. Напряжения и токи

Напряжение, прикладываемое к эмиттерному переходу (так принято называть переход база-эмиттер), низкое для маломощных транзисторов, не более 0,2…0,7В, что позволяет создать ток в несколько десятков микроампер в базовая схема. Ток базы в зависимости от напряжения базы — эмиттер называется входной характеристикой транзистора , которая снимается при фиксированном напряжении коллектора.

На коллекторный переход маломощного транзистора подается напряжение порядка 5…10 В (это для наших исследований), хотя может быть и больше. При таких напряжениях ток коллектора может быть от 0,5 до нескольких десятков миллиампер. Ну просто в рамках статьи ограничимся такими количествами, так как считается, что транзистор маломощный.

Характеристики передачи

Как было сказано выше, малый ток базы управляет большим током коллектора, как показано на рисунке 2. Следует отметить, что ток базы на графике указан в микроамперах, а ток коллектора в миллиампер.

Рисунок 2

Если внимательно следить за поведением кривой, то можно увидеть, что для всех точек графика отношение тока коллектора к току базы одинаково. Для этого достаточно обратить внимание на точки А и В, для которых отношение тока коллектора к току базы равно ровно 50. Это и будет УСКОРЕНИЕ ТОКА, обозначенное символом х31е — текущий коэффициент усиления.

h31e = Ik/Ib.

Зная это соотношение, нетрудно рассчитать ток коллектора Ik = Ib * h31e

Но ни в коем случае не стоит думать, что коэффициент усиления всех транзисторов ровно 50, как на рисунке 2. На самом деле в зависимости от типа транзистора, она колеблется от единиц до нескольких сотен и даже тысяч!

Если вам нужно узнать коэффициент усиления для конкретного транзистора, который лежит у вас на столе, то это достаточно просто: современные мультиметры, как правило, имеют режим измерения h31e. Далее мы объясним, как определить коэффициент усиления с помощью обычного амперметра.

Зависимость тока коллектора от тока базы (рисунок 2) называется откликом транзистора . На рис. 3 представлено семейство передаточных характеристик транзистора при его включении по схеме с ОЭ. Характеристики сняты при фиксированном напряжении коллектор-эмиттер.

Рисунок 3. Семейство передаточных характеристик транзистора при включении его по схеме с ОЭ

Если рассмотреть это семейство более внимательно, то можно сделать несколько выводов. Во-первых, передаточная характеристика не является линейный, это кривая (хотя в середине кривой есть линейный участок). Именно эта кривая приводит к нелинейным искажениям, если транзистор используется для усиления сигнала, например звукового. Поэтому необходимо «сдвинуть» рабочую точку транзистора на линейный участок характеристики.

Во-вторых, характеристики, снятые при разных напряжениях Uкэ1 и Uкэ2, эквидистантны (равноудалены друг от друга). Это позволяет сделать вывод, что коэффициент усиления транзистора (определяемый углом кривой к оси координат) не зависит от напряжения коллектор-эмиттер.

В-третьих, характеристики не начинаются в начале координат. Это говорит о том, что даже при нулевом токе базы через коллектор протекает некоторый ток. Это как раз тот начальный ток, который был описан в предыдущей части статьи. Начальный ток для обеих кривых разный, что указывает на его зависимость от напряжения на коллекторе.

Как снять передаточную характеристику

Проще всего снять эту характеристику, если включить транзистор по схеме, показанной на рисунке 4.

Рисунок 4

Поворотом ручки потенциометра R, можно изменить очень малый ток базы Ib, что приведет к пропорциональному изменению большого тока коллектора Ik. Такой «творческий» процесс, как вращение ручки потенциометра, невольно наводит на мысль: «А нельзя ли как-то автоматизировать этот процесс кручения ручки?» Оказывается можно.

Для этого достаточно вместо потенциометра последовательно подключить источник переменного напряжения, например, угольный микрофон, колебательный контур антенны или детектор приемника от аккумуляторов ЕВ-е. Затем это переменное напряжение будет управлять током коллектора транзистора, как показано на рис. 5.

рис. 5

сигнал напряжения будет усилен. Если подать переменный сигнал, например синусоиду, без смещения, то положительные полупериоды будут открывать транзистор, а возможно даже усиливать.

А вот отрицательные полупериоды транзистор просто закрыт, поэтому не только не усилится, но даже не пройдет через транзистор. Примерно так же, как если подключить громкоговоритель через диод: вместо приятной музыки и голосов слышны непонятные хрипы.

Но довольно часто они усиливают постоянный ток, при этом транзистор работает в ключевом режиме, как реле. Это приложение чаще всего встречается в цифровых схемах. В следующей статье именно с ключевого режима, как самого простого и понятного, мы и начнем рассматривать различные режимы работы транзистора.

Схемы включения транзисторов

Рисунок 6. Схемы включения транзисторов

До сих пор на всех рисунках транзистор предстал перед нами в виде трех квадратов с буквами n и p. На рисунке 6а транзистор показан как в реальной электрической цепи. Сразу показывается полярность подключения напряжения, названия электродов, токи базы и эмиттера. А на рисунке 6б в виде конструкции из двух диодов, которая часто используется при проверке транзистора мультиметром.

5. Транзисторы BJT — документация elec2210 1.0

5.1. Цели

Этот эксперимент предназначен для ознакомления с реальными характеристиками биполярных транзисторов (BJT) и некоторыми их применениями. В частности,

1. Мы измерим форсированный ток базы и форсированное напряжение база-эмиттер IC-VCE характеристики

2. Мы создадим схему инвертора на биполярных транзисторах, чтобы лучше понять концепции насыщения по напряжению и току

3. Мы научимся использовать биполярный транзистор для включения большого тока при малом напряжении или токе

4. Мы научимся измерять кривую передачи напряжения (VTC), что является важным методом проектирования широкого спектра аналоговых и цифровых схем, включая усилители и логические элементы

5. Мы получим больше опыта с макетной системой ELVIS II+

6. Мы будем продолжать развивать профессиональные лабораторные навыки и навыки письменного общения

5.

2. Требуемые SFP и индивидуальные программы

1. 3-проводной анализатор ВАХ

2. Цифровой мультиметр

3. Цифровое записывающее устройство

4. Программа Signal Express для характеристик передачи тока база-коллектор

5. Программа Labview vi для принудительных измерений Vbe

5.3. Необходимые компоненты

1. 2N3904 Транзистор NPN техническое описание .

2. 510 резистор

3. 1 резистор

4. 10 резистор

5. 330 резистор

6. 4558 операционный усилитель техническое описание .

7. Светодиод вашего любимого цвета

8. Вентилятор 5 В постоянного тока

5.4. Введение

Подробное описание BJT можно найти в главе 5 учебника ELEC 2210, Разработка схемы микроэлектроники от Р.К. Джагер.

Аббревиатура BJT расшифровывается как Bipolar Junction Transistor. BJT можно рассматривать как устройство, которое регулирует выходной ток, ток коллектора, как правило, либо с входным током, либо с напряжением. Приведенные здесь эксперименты призваны помочь вам понять фундаментальные вольт-амперные характеристики (ВАХ) транзистора в реальном мире, а также ключевые концепции использования биполярных транзисторов в усилителях и переключателях.

Мы будем использовать 2N3904, npn BJT общего назначения с максимальным рабочим током 200 мА и максимальной рассеиваемой мощностью 625 мВт.

Клеммы C, B и E показаны на рис. 1.

Рисунок 1: Клеммы BJT.

Выходные характеристики BJT с Fo = 25 и VA = 8 показаны на рис. 2.

Рисунок 2: Выходные характеристики NPN.

Для каждой кривой передняя активная область — это область справа от колена, т. е. почти плоская часть. Область слева от колена является областью насыщения. Для коммутационных приложений BJT больше всего похож на замкнутый переключатель, когда он находится в области насыщения, где VCE мало. Это больше всего похоже на разомкнутый выключатель, когда он находится в отсечке, с iC = 0,9.0003

Биполярный транзистор часто используется в качестве переключателя, управляемого током, как показано на рис. 3.

Рисунок 3: NPN используется в качестве коммутатора.

В большинстве коммутационных приложений биполярный транзистор работает в области насыщения, когда он проводит ток. В этой области падение напряжения на клеммах коллектор-эмиттер биполярного транзистора, как и требовалось, мало. Величина тока нагрузки в этом случае определяется значением VCC и характеристиками нагрузки и практически не зависит от входного тока или характеристик BJT.

5.5. Pre-Lab

1. Получите лист технических данных для 2N3904 здесь и используйте его, чтобы найти диапазон коэффициента усиления по прямому току (Fo, также известный как hFE). Узнайте, как отличить эмиттер, базу и коллектор. Нарисуйте 2N3904 с помеченными клеммами.

2. Смоделируйте схему, показанную ниже, в Multisim. Выберите DC Sweep в качестве типа анализа. Источник 1 является источником напряжения. Развертка от 0 вольт до 1 вольта с шагом 0,001 вольта. Установите флажок «Использовать источник 2», чтобы выполнить вторичную развертку. Источник 2 является текущим источником. Развертка от 0 ампер до 0,00001 ампер с шагом 0,000001 ампер. На выходе ток коллектора. Это переменная с именем I(Q1[IC]).

   Рис. 4: Предлаб.

   Выходные характеристики аналогичной схемы показаны ниже на рисунке 5.

   Рис. 5: Смоделированные выходные характеристики 2N3904.

3. В каком регионе должен работать BJT, если он является «замкнутым переключателем»? Почему? В каком регионе он должен работать, если это «открытый переключатель»? Почему?

5.6. Лабораторное занятие

Есть четыре части. Перед тем, как переходить к следующей части, подпишите вашу GTA на каждой части.

5.6.1. Выходные характеристики Forced IB

1. Включите базу ELVIS и питание макетной платы.

2. Откройте средство запуска приборов ELVIS через Пуск > Программы > National Instruments > NI

   ELVISmx для NI ELVIS и NI myDAQ > Средство запуска приборов NI ELVISmx

   Рис. 6: Расположение панели запуска инструментов.

3. Откройте программную переднюю панель трехпроводного анализатора напряжения тока.

4. Тщательно измерьте принудительную выходную характеристику IB транзистора 2N3904 NPN следующим образом. Установите шаг Vc на 0,05 В и установите количество кривых на 5, как показано на рис. 7. Подключите коллектор к клемме DUT+ (контакт 29 на нижней левой клеммной колодке), подключите эмиттер к клемме DUT- и подключите базу к клемме BASE, показанной на рис. 7. Если смотреть на плоскую сторону транзистора, выводы эмиттера, базы и коллектора слева направо, как показано выше на рис. 1.

   Рис. 7: Настройки трассировщика для 2N3904 bjt.

   Рис. 8: Расположение клемм трехпроводного анализатора.

5. Нажмите «Выполнить». Трассировщик кривой должен медленно рисовать график.

6. Щелкните журнал, чтобы сохранить данные для последующего анализа. Сохраните также снимок экрана. Используя Excel или Matlab, постройте график как функцию VCE для IB = 30 мкА. Определите область насыщения и переместите активные области на свой снимок экрана.

5.6.2. Выходные характеристики принудительного VBE

Теперь мы измерим, как изменяется IC с VCE для принудительного напряжения база-эмиттер. Аналоговые выходы будут использоваться для установки напряжения базы и коллектора, а ток коллектора измеряется мультиметром ELVIS. Поскольку аналоговые выходы имеют очень маленькую токовую нагрузку, будут использоваться два неинвертирующих операционных усилителя с единичным коэффициентом усиления.

1. Соберите схему, показанную на рис. 9. Требуется только один операционный усилитель RC4558; на каждом чипе по два усилителя. Подключите неинвертирующие входы к аналоговым выходам ELVIS (контакты 31 и 32), как показано на рисунке.

   Рис. 9: Схема измерения принудительной характеристики Vbe.

   На рис. 10 показан внешний вид операционного усилителя 4558 с помеченными выводами.

   Рисунок 10: Распиновка 4558.

2. Загрузите программу LabVIEW здесь .

3. Используйте следующие настройки, как показано на рисунке 11.

   • vbe start = 0,65 вольт

   • vbe стоп = 0,75 вольт

   • № шагов vbe = 6

   • начальное напряжение = 0 вольт

   • vce стоп = 1 вольт

   • nшагов = 30

   • Предельный ток = 0,040 А

   Рис. 11: Настройки трассировщика для 2N3904 bjt.

4. Сохраните снимок экрана и определите области прямой активности и области насыщения.

5.6.3. Характеристики переключения NPN-транзистора

Широко используемый метод для понимания работы схемы заключается в свипировании входного или исходного напряжения, и наблюдайте, как реагирует интересующее выходное напряжение. При моделировании схемы это делается с помощью развертки постоянного напряжения. анализ. Результатом является кривая передачи напряжения (VTC). VTC полезны при анализе широкого спектра аналоговых и цифровых схем.

Здесь мы будем использовать аналоговый выход AO0 для обеспечения программируемого входного напряжения, и используйте AI0 для экспериментального измерения выходного напряжения схемы переключения транзистора NPN. Схема здесь по сути представляет собой инвертор BJT, который также можно использовать в качестве усилителя. когда точка смещения установлена ​​в область, где выходное напряжение изменяется быстрее всего с входным напряжением.

1. Соберите схему, показанную на рис. 12. Клемма +5V — это нижний штырек на нижней левой клеммной колодке.

   Рис. 12. Схема включения NPN-транзистора.

2. Подключите AO0 к входу, AI0+ к коллектору, который является выходом, и AI0- к земле.

3. Загрузите программу LabVIEW здесь .

4. Измените количество шагов на 60 или 100. Нажмите «Выполнить». Вы должны увидеть график, аналогичный показанному на рисунке 13. Сохраните снимок экрана.

   Рис. 13: Схема переключения BJT VTC.

5. Повторно подключите AI0+ и AI0- к нагрузочному резистору коллектора. Перезапустите программу. Сохраните снимок экрана. Щелкните правой кнопкой мыши график и экспортируйте данные для последующего анализа.

6. Повторно подключите AI0+ и AI0- через резистор последовательно с базой. Перезапустите программу и сохраните скриншот. Эти данные можно использовать позже для расчета базового тока.

7. Повторно соедините AI0+ и AI0- между базой и эмиттером. Перезапустите программу и сохраните скриншот.

При необходимости можно изменить шаг развертки.

Что делать в лабораторном отчете?

Обсудите, при каком Vin выходное напряжение начинает заметно падать? Как это соотносится с 0,7 В, напряжением включения Si PN-перехода? Напомним, что переход база-эмиттер по сути является PN-переходом, только электронный ток переносится на коллектор.

Определите 3 различных рабочих участка (отсечка, прямое активное, обратное активное или насыщение) на кривой Vout-Vin.

График IC и IB против Vin. Объясните, как бета, соотношение IC/IB, изменяется с Vin.

5.6.4. Транзистор в качестве переключателя

Здесь мы используем транзистор в качестве переключателя для включения и выключения нагрузки, которая может быть светодиодом, вентилятором или динамиком. Низкое входное напряжение или ток отключают ток коллектора. Высокое входное напряжение или ток базы включают транзистор. Естественная способность транзистора усиливать ток позволяет нам включать и выключать гораздо больший ток, используя источник с ограниченной способностью управления по току, например. выход цифрового чипа. Здесь мы будем имитировать вывод цифрового чипа с помощью цифрового записывающего устройства.

Транзисторы можно использовать в качестве переключателей, когда мы хотим подключить нагрузку к интегральной схеме, которой не может управлять микросхема. Здесь транзистор используется как электронное реле. Другой способ думать об этом состоит в том, что транзистор используется для усиления ограниченного выходного тока чипа для питания гораздо большей нагрузки. В этой лабораторной работе NPN-транзистор будет использоваться для управления вентилятором. Сам транзистор будет управляться цифровым записывающим устройством ELVIS, которое обычно не может питать вентилятор.

1. Соберите схему, показанную на рис. 14. Контакты цифрового ввода/вывода находятся на верхней правой клеммной колодке. Используйте DIO 0 (контакт 1). Чтобы использовать мультиметр для измерения тока, необходимо использовать гнезда COM и A, а не гнездо V ->|-, как это использовалось ранее. Также обратите внимание, что амперметр должен быть включен последовательно с цепью.

   Рис. 14: Соединения схемы для демонстрации BJT в качестве коммутатора.

2. Откройте цифровой мультиметр, выберите DC Current и щелкните Run, как показано на рис. 15.

   Рисунок 15: Цифровой мультиметр.

3. Откройте Digital Writer, нажмите «Выполнить» и переключите младший значащий бит (правый переключатель).

   Рис. 16: Цифровой записывающий модуль.

4. Измерить и записать в таблицу значения VCE, VBE, VBC, IB и IC при включенном и выключенном светодиоде. Чтобы определить IB, измерьте падение напряжения на RB с помощью цифрового мультиметра Fluke или цифрового мультиметра ELVIS и используйте закон Ома для расчета тока базы. Если используется бортовой вольтметр, необходимо отсоединить амперметр от коллектора. Можете ли вы подтвердить, что BJT находится в состоянии насыщения, когда светодиод горит, и в отсечке, когда светодиод не горит? (Подсказка: при насыщении оба перехода должны быть смещены в прямом направлении. В режиме отсечки оба перехода должны быть смещены в обратном направлении.)

5. Замените Rb резистором 1. Замените светодиод и резистор 330 Ом вентилятором и повторите. Соблюдайте полярность вентилятора (черный провод должен быть подключен к коллектору биполярного транзистора, красный к цифровому мультиметру). Измерьте и запишите VCE, VBE, VBC, IB и IC, когда вентилятор включен и когда он выключен. Насыщается ли транзистор при включенном вентиляторе?

Факты о транзисторе с биполярным переходом: режимы работы и характеристики0099 Определение BJT

Типы BJT

Конфигурации

Применение

СОВЕТЫ И НЕДОСТАВЛЕНИЯ

LIGHTES и характеристики.

Определение транзистора с биполярным переходом:

Транзистор с биполярным переходом (также известный как BJT) представляет собой полупроводниковый прибор особого типа с тремя выводами, состоящими из p-n переходов. Они способны усиливать сигнал, а также управлять током, т. е. называются токоуправляемыми устройствами. Три терминала: База, Коллектор и Эмиттер.

Типы биполярных транзисторов:

Существует два типа биполярных транзисторов:

• Транзистор P-N-P.
• Транзистор N-P-N.

BJT состоит из трех частей: эмиттера, коллектора и базы. Здесь переходы на основе эмиттера смещены в прямом направлении, а переходы на основе коллектора смещены в обратном направлении.

Транзистор с биполярным соединением PNP:

Эти типы транзисторов имеют две p-области и одну n-область. Область n зажата между двумя областями p.

Транзистор с биполярным соединением NPN:

«Транзистор NPN — это тип транзистора с биполярным соединением (BJT), который состоит из трех выводов и трех слоев и функционирует как усилитель или электронный переключатель».

 

NPN BJT с переходом E–B прямого смещения и переходом B–C с обратным смещением в БЖТ?

В конфигурации с обратным смещением коллекторный переход увеличивается, эффективная базовая область уменьшается. При некотором обратном смещении коллекторного перехода область обеднения перекрывает базу, уменьшая эффективную ширину базы до нуля. По мере того как коллекторное напряжение проникает в базу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе снижается. В результате протекает чрезмерно большой эмиттерный ток. Это явление известно как сквозной удар.

Применение транзистора с биполярным переходом:

Существует так много применений биполярного транзистора, вот некоторые из них-

• В логических схемах биполярный транзистор используется.
• Биполярный транзистор используется в качестве усилителя.
• Этот тип транзисторов используется в качестве переключателей.
• Для проектирования цепей ограничения предпочтителен биполярный переходной транзистор для цепей формирования волны.
• В схемах демодуляции также используются BJT.

Преимущества и недостатки транзистора с биполярным переходом:

Биполярный транзистор — это один из типов силовых транзисторов. Он используется в усилителях, мультивибраторах, генераторах и т. д. Помимо достоинств, у биполярного транзистора есть и несколько недостатков, а именно:

Достоинства –

1. Биполярный транзистор имеет лучший коэффициент усиления по напряжению.
2. BJT имеет высокую плотность тока.
3. Более высокая пропускная способность
4. BJT обеспечивает стабильную работу на более высоких частотах.

Недостатки-

1. Биполярный переходной транзистор имеет низкую термическую стабильность.
2. Обычно производит больше шума. Таким образом, схема подвержена шуму.
3. Имеет небольшую частоту переключения.
4. Время переключения BJT не очень быстрое.

Bipolar Junction Transistor Characteristics:

Transistor Characteristics- Bipolar Transistor Configurations

Transistor Modes:

The three modes of a transistor are

• CB (Common -Base)
• CE (общий эмиттер)
• CC (общий коллектор)

CB-общая база, CE-общий эмиттер и CC-общий коллектор Режим транзисторов PNP и NPN обсуждался следующим образом: 900

Входные характеристики:

Входные характеристики транзистора построены между током эмиттера и напряжением эмиттер-база с постоянным напряжением коллектор-база.

Выходные характеристики:

Выходная характеристика транзистора построена между током коллектора и напряжением коллектор-база с постоянным током эмиттера.

Выходные характеристики распределены по разным секциям:

Активная область –

В этом активном режиме все переходы смещены в обратном направлении, и через схему не проходит ток. Следовательно, транзистор остается в выключенном состоянии; работать как открытый выключатель.

Область насыщения –

В этом режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, и ток проходит через схему. Следовательно, транзистор остается во включенном состоянии; работать как закрытый выключатель.

Область отсечки –

В этом режиме отсечки один из переходов смещен в прямом направлении, а другой – в обратном. Этот режим отсечки используется для текущего усиления.

CB (общая база)

В режиме общей базы база заземлена. Соединение E-B подключено при прямом смещении во время стандартной работы; входные характеристики аналогичны p-n диоду. я _E увеличиваются при увеличении |V _CB |. Если рабочее напряжение при |В _СВ | увеличивается, размер обедненной области на переходе CB увеличивается, тем самым уменьшая эффективную базовую область. «Изменение эффективной ширины базы» в зависимости от напряжения, приложенного к клемме коллектора, называется ранним эффектом.

В режиме CB база заземлена

Из узлового анализа известно,

I _E =I _B +I _C

Сейчас α = соотношение I _C & I _E

SO, α = I _C /I _E

I _C

I _C =

I _{C = α = α = α = α = α = α = α = α = = = = = = α .}

I _E = I _B + αi _E

I _B = I _E (1- α) 9

The Siture at of 9116. 9116. напряжение В _EB с выходным напряжением В _CB в качестве параметра.

Входная характеристика кремниевого транзистора с общей базой: Изображение предоставлено: Мишель Бакни, Входная характеристика кремниевого транзистора с общей базой-en, CC BY-SA 4.0

Выходная характеристика кремниевого транзистора с общей базой: Изображение предоставлено Мишелем Бакни. , Выходная характеристика кремниевого транзистора с общей базой-ru, CC BY-SA 4.0

CE (общий эмиттер)

В режиме CE эмиттер заземлен, а входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выход измеряется коллектор и эмиттер.

β=ratio between I _C & I _B

β=I _C /I _B

I _C = βI _B

I _E =I _B + βI _B

I _E =I _B (1+ β)

9051 схема. Входной ток I _B  соответствует напряжению V _BE с выходным напряжением V _CE в настоящее время. Это связано с увеличением ширины области обеднения на переходе коллектор-эмиттер. Это называется Ранний эффект.

Входная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером Изображение предоставлено: Мишель Бакни, Входная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером-en, CC BY-SA 4.0

Выходная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером Изображение предоставлено: Мишель Бакни, выходная характеристика кремниевого транзистора с общим эмиттером, CC BY-SA 4.0

CC (общий коллектор)

В режиме CC или с общим коллектором коллектор должен быть заземлен, а вход подается от база-коллектор, а выход берется от коллектора к эмиттеру.

The ratio , I _E /I _B = I _E /I _C . I _C /I _B

Or, I _E /I _B = β/α

Мы знаем α = β (1- α)

β = α β+ α

I _E = I _B ( I _E = I _{B65 ( I E = I B5 ( I E = I B ( I E = I ( I E = I ( I E .}

Взаимосвязь между α & β:-

Мы знаем,

, чтобы узнать больше о транзисторе. Природа

Абстракция

Устройства, изготовленные с использованием тонкопленочных полупроводников, в последнее время вызывают большой интерес благодаря новым возможностям применения. Среди систем материалов, пригодных для тонкопленочной электроники, особый интерес представляют органические полупроводники; их недорогие, биосовместимые материалы на основе углерода и осаждение с помощью простых методов, таких как испарение или печать, позволяют использовать органические полупроводниковые устройства для повсеместной электроники, например той, которая используется на человеческом теле или внутри него, или на одежде и упаковках ^1,2,3 . Потенциал органической электроники можно использовать только в том случае, если производительность органических транзисторов заметно улучшится. Здесь мы представляем органические биполярные транзисторы с выдающимися характеристиками устройства: ранее не описанная вертикальная архитектура и высококристаллические тонкие пленки органического рубрена дают устройства с высоким дифференциальным усилением (более 100) и превосходными характеристиками на высоких частотах по сравнению с обычными устройствами. Эти биполярные транзисторы также дают представление о длине диффузии неосновных носителей заряда — ключевом параметре органических полупроводников. Наши результаты открывают двери для новых концепций устройств высокопроизводительной органической электроники с еще более высокими скоростями переключения.

Основной

Органические полевые транзисторы (FET) были впервые представлены в 1986 году и за последние два десятилетия продемонстрировали впечатляющие улучшения ^{4,5,6,7,8,9,10,11} . Тем не менее, они по-прежнему ограничены диапазоном от низких до средних мегагерц, что не позволяет широко применять ^12,13,14 . Значительно более низкая подвижность носителей заряда в органических полупроводниках (OSC) по сравнению с их неорганическими аналогами является ограничением производительности органических транзисторов. Уменьшение длины транзисторных каналов является эффективной стратегией повышения скорости работы устройства, как показано на FET 9.1382 13,14 и другие концепции устройств, такие как органические транзисторы с проницаемой базой ^11,15 . Однако другие факторы, такие как контактное сопротивление и емкость перекрытия, часто ограничивают дальнейшее улучшение рабочих частот ^16,17 .

Устройство с низкой емкостью и контактным сопротивлением представляет собой транзистор с биполярным переходом. Несмотря на недостатки, связанные с миниатюризацией и технологической интеграцией, биполярные транзисторы обладают значительно более высокими рабочими скоростями, чем сопоставимые полевые устройства ¹⁸ . Однако транзисторы с органическим биполярным переходом (OBJT) еще не реализованы, главным образом потому, что они основаны на диффузии неосновных носителей через тонкий и точно легированный базовый слой. Большинство исследований посвящено экситонной диффузии, которая преобладает из-за слабого диэлектрического экранирования в органических соединениях ^19,20 . Длина диффузии большинства носителей в фуллеренах оценивается в сантиметровом масштабе, что поднимает интересные вопросы о физике диффузии носителей в OSC ^21,22 . Диффузионные длины неосновных носителей заряда до сих пор оставались неисследованными в материалах OSC. По сравнению с диффузией экситонов можно ожидать, что они будут находиться в нанометровом диапазоне, по крайней мере, для типичных неупорядоченных органических пленок ^23,24,25 .

Здесь мы реализуем OBJT на основе кристаллических пленок легированного рубрена n- и p-типа. В отличие от обычных монокристаллов, выращенных в печи, эти пленки изготавливаются непосредственно на поверхности подложки и, таким образом, совместимы с массовым производством. Ранее мы продемонстрировали превосходный потенциал таких высокоупорядоченных пленок, продемонстрировав рекордно высокую вертикальную подвижность носителей заряда, которая позволила сверхбыстродействующим диодным устройствам работать в гигагерцовом диапазоне9.1382 26 . Здесь мы демонстрируем, что OBJT на основе тонких пленок кристаллического рубрена открывают многообещающий путь к гигагерцовой органической электронике. Численное моделирование проясняет принципы работы транзисторов и указывает пути дальнейшей оптимизации. Тщательный анализ работы устройства позволяет напрямую измерить длину диффузии неосновных носителей в любом OSC.

Ключевой задачей при создании органического биполярного транзистора является поиск подходящего материала и конфигурации устройства, которые (1) допускают легирование как n-, так и p-типа; (2) иметь достаточно высокие (более 1 см ²  V ⁻¹  s ⁻¹ ) подвижность, обеспечивающая сбалансированный перенос дырок и электронов, что дает надежду на то, что до сих пор неизвестные длины диффузии неосновных носителей достаточно велики, чтобы позволить носителям проходить через базовые слои; и (3) позволяют достаточно тонкой базе поддерживать определенный потенциал, чтобы обеспечить управление током эмиттер-коллектор. Мы использовали высококристаллические тонкопленочные кристаллы рубрена с легированием n- и p-типа для создания этого OBJT и проанализировали его работу экспериментально и теоретически (подробности разработки и характеристики материалов см. в разделе «Методы»).

Разработка OBJT

Используя эти высококристаллические легированные пленки, мы создали OBJT. Геометрия устройства показана на рис. 1a–c с вертикальной укладкой прямоугольного эмиттерного электрода внизу, пальцеобразного базового электрода в середине и прямоугольного коллекторного (верхнего) электрода. Расстояние между соседними пальцами основного электрода и ширина каждого основного пальца имеют решающее значение, как обсуждается ниже. Окончательное устройство имеет p-n-p-тип с легированной n-основой, так как мы ожидаем, что диффузионная длина неосновных элементов p-типа будет выше из-за более высокой подвижности. Как обычно для органических диодных устройств ²⁶ собственные пленки добавляются между пленками, легированными p- и n-элементами, для улучшения обратной характеристики утечки, в результате чего получается структура типа pinip. Эмиттерный и коллекторный электроды сделаны из золота для облегчения эффективной инжекции дырок, тогда как базовый электрод состоит из алюминия для лучшей инжекции электронов. Тонкая пленка n-легированного C ₆₀ добавляется на сторону эмиттера базового электрода для дальнейшего облегчения инжекции электронов. Дополнительные слои собственного и слаболегированного материала могут быть добавлены поверх базового электрода, чтобы минимизировать утечку база-коллектор.

Рис. 1: Работа OBJT.

a , Конфигурация вертикального стека OBJT. b , Определение активных и паразитных токов и латеральных геометрических параметров в OBJT. c , Устройство OBJT под поляризованным микроскопом. Масштабная линейка, 100  мкм. d , Передаточные характеристики устройства OBJT с блокирующими слоями, нанесенными поверх основного электрода, для различных В _CE : сплошные линии показывают абсолютный ток коллектора 9∆ I _C  =  I _C −  I _{C0 . e , соответствующее дифференциальное усиление для устройства d . f , Определение схемы смещения и измерения для всех кривых OBJT и представление эквивалентной схемы OBJT, содержащей активные и паразитные компоненты, аналогичные токам, определенным в b : D B1 , прямой диод база-коллектор с током утечки I BC ; D B2 , прямой диод база-эмиттер с током утечки I BE ; R CE , прямое перекрытие эмиттер-коллектор с I C0 выходной ток отключения. г , Передаточные характеристики устройства OBJT без блокирующих слоев, нанесенных поверх основного электрода, при различных В CE : сплошные толстые линии, абсолютный ток коллектора I C ; штриховые линии, добавлен ток ∆ I C  =  I C  −  I C0 ; сплошные тонкие линии, абсолютное усиление постоянного тока. h , Абсолютная и нормированная по площади емкость отдельного контактного (входного) диода на основе рубрена при различных условиях смещения и различных частотах измерения. Активная площадь 100 × 100 мкм ² . я , Оценка частоты перехода по крутизне.}

Увеличить

Использование триклинной кристаллической фазы рубрена для транзисторов с биполярным переходом может показаться само собой разумеющимся из-за более высокой вертикальной подвижности носителей заряда, что способствует более эффективной вертикальной диффузии через базовый слой. Однако, помимо вертикального транспорта, n-легированный рубреновый слой основы должен представлять собой область, эквипотенциальную с металлическим базовым электродом, что требует высокой латеральной проводимости. Расстояние между соседними металлическими базовыми электродами является определяющим геометрическим параметром для этой концепции устройства и находится в диапазоне микрометров. Поэтому орторомбические кристаллы здесь успешно используются для OBJT из-за их изотропных свойств переноса заряда — работа транзистора с использованием триклинных кристаллов не наблюдалась.

Сначала рассмотрим устройство на основе кристаллов орторомбических сферолитов с большим количеством блокирующих слоев, нанесенных поверх основного электрода (рис. 1d,e). Диод база-эмиттер, диод база-коллектор и структура выводов эмиттер-коллектор сначала исследуются отдельно, чтобы проверить функциональность на уровне компонентов (расширенные данные, рис. 1a). Входные и выходные компоненты работают по отдельности как диоды с различимым прямым и обратным поведением. Диод база-коллектор имеет значительно меньший прямой ток, чем входной диод база-эмиттер, из-за дополнительных блокирующих слоев поверх базового электрода. Однако обратный ток и прямая утечка с обеих сторон базы практически одинаковы. Это признак того, что ток утечки определяется боковыми путями утечки, а не током, проходящим через pin-диоды. Как и ожидалось, постоянный ток от эмиттера к коллектору полностью симметричен (см. измерения импеданса на рис. 2 с расширенными данными). Однако этот ток существенно выше, чем ток через сами диоды. Высокий ток эмиттер-коллектор можно частично объяснить простой конструкцией электрода, которая создает большую область паразитного перекрытия между эмиттером и коллектором. Уменьшить ток эмиттер-коллектор можно структурированием электрода. Обсуждение оптимальной геометрической конфигурации на основе моделирования приведено в следующем разделе. Наше основное внимание здесь сосредоточено на базовом регионе, чтобы обеспечить работу OBJT.

На рис. 1г показана передаточная кривая полного OBJT (межэлектродный зазор в базовом электроде 12 мкм), то есть эмиттерный (выходной) ток над базовым (входным) током при различных напряжениях эмиттер-коллектор. Видно, что абсолютная величина эмиттерного тока велика и практически не меняется на протяжении всего измерения. Лишь при больших токах базы заметно небольшое увеличение. Это вызвано током утечки эмиттер-коллектор, о котором говорилось выше. Этот ток утечки можно рассматривать как постоянный шунт R _CE параллельно выходу прибора (эквивалентная схема представлена ​​на рис. 1е). Таким образом, реальный выход транзистора отражает изменение тока коллектора (также показанное на рис. 1г), контролируемое током базы. Видно устойчивое увеличение выходного тока по сравнению с входным током, с резким увеличением при низком и высоком базовом токе и существенно более пологим наклоном в режиме среднего тока. Общее поведение одинаково для всех приложенных напряжений эмиттер-коллектор, хотя и смещено на абсолютный ток. Сосредоточение внимания на самых больших В _CE при −8 В добавленный ток коллектора превосходит входной ток базы только до тех пор, пока ток базы не станет равным 15 мкА.

На рис. 1e показано дифференциальное усиление сигнала ∂ I _C /∂ I _B . Он достигает 100 при низком токе базы, что явно свидетельствует о работе транзистора, а затем неуклонно уменьшается с увеличением тока базы. Потеря дифференциального усиления происходит при I _B  = 2 мкА. Это уменьшение дифференциального усиления можно понять из геометрии устройства: иллюстрация путей тока дана на рис. 1б. В дополнение к уже упомянутому текущему пути через R _CE , ведущий к большому I _C0 , верхний и нижний диоды транзистора можно разделить на две части. Во-первых, большая часть каждого диода определяется площадью прямого перекрытия базы и электрода коллектора или эмиттера. Эта область вносит вклад только в ток утечки и не влияет на работу транзистора. Ток утечки через диод база-коллектор D _B1 обозначается как I _BC и ток утечки через диод база-эмиттер D _B2 as I _BE . Во-вторых, меньшая часть определяется областью вокруг пальцев базового электрода, в которой присутствует базовый потенциал. Это расстояние определяется вылетом базы L _R . Соответствующая область отмечена на рис. 1б. Только вторая часть (ток I _B,S ) может вносить вклад в модуляцию коллекторного тока в виде I _C,S . Эквивалентная схема этой конфигурации показана на рис. 1f. Усиление транзисторного компонента начинает насыщаться при более высоких токах базы из-за экспоненциального увеличения входного тока через паразитные части входного диода, так что дифференциальное усиление не может поддерживаться при более высоких токах базы. Таким образом, измеренное дифференциальное усиление является не внутренним свойством транзистора, а свойством устройства, функционирующего как схема.

Блокирующие слои, нанесенные поверх базового электрода, предназначенные для подавления тока утечки из паразитного диода D _B1 , однако, могут также блокировать часть канала рядом с пальцами базового электрода, что может способствовать работе транзистора за счет геометрии теплового испарения через теневые маски. Необходимо найти баланс между конфигурацией блокирующих пленок и геометрией электрода. Также исследовано устройство на основе орторомбических пластинчатых кристаллов без использования блокирующих слоев поверх основного электрода, вольт-амперный ( IV ) характеристики устройства приведены на рис. 1г. Транзисторная работа прибора при малых токах снижается, так как измененное смещение базы и вызванное этим изменение паразитного тока диода D _B1 перекомпенсируют любое диффузионное усиление. Однако при больших токах базы выходной ток коллектора существенно увеличивается, и транзистор явно демонстрирует усиление большого сигнала, хотя и только умеренные значения. Отметим, что нестабильное поведение при большом токе базы, вероятно, вызвано высокой плотностью тока в устройстве, близкой к возникновению эффекта саморазогрева. Поэтому в наших устройствах OBJT на основе легированных кристаллов рубрена можно наблюдать как дифференциальное, так и абсолютное усиление тока.

TCAD-моделирование OBJT

Технология автоматизированного проектирования (TCAD) выполняется для лучшего понимания переноса заряда в устройстве OBJT и правил проектирования для оптимизации геометрии устройства. Моделирование основано на стеке устройств, которые показали усиление большого сигнала, как показано на рис. 1g. Изготовленные устройства и экспериментальные данные взяты в качестве эталона для калибровки симулятора TCAD. Характеристики IV отдельных компонентов (диод база-эмиттер и структура эмиттер-коллектор) показывают хорошее соответствие результатов калиброванного моделирования и измеренных данных, как показано на рис. 2а, что подтверждает работоспособность устройства. На основе откалиброванного TCAD, электростатического потенциала, электрического поля, плотности носителей и тока можно моделировать и извлекать распределения для различных условий смещения и геометрии. В качестве примера на рис. 2б показано распределение плотности тока в OBJT. Распределение бокового электрического поля между двумя соседними пальцами основания показано на рис. 2в.

Рис. 2: Моделирование TCAD работы устройства OBJT.

a , Совпадение моделирования и измерения на основе экспериментальных данных рис. 1g. Моделирование настроено на воспроизведение IV характеристик эмиттер-коллектор и эмиттер-база (вставка) по отдельности. b , Геометрия и распределение плотности тока для примерной конфигурации OBJT, полученные с помощью моделирования TCAD. c , Напряженность внутреннего электрического поля в поперечном направлении для различных расстояний между соседними базовыми электродами на В _BE  =  В _CE  = −3 В. На вставке для наглядности показан крупный план панели. d , Моделирование максимального дифференциального усиления с разной шириной основного электрода L _B . e , Имитация максимального дифференциального усиления с гипотетическим поперечным смещением между концом основного электрода и началом эмиттерного электрода L _BE . f , Моделирование максимального дифференциального усиления с различными расстояниями между соседними базовыми электродами L _BB (все остальные параметры оставались постоянными в каждом наборе симуляций). На вставках показана геометрия L _B , L _BE и L _BB в устройстве OBJT. Используемые параметры приведены в дополнительной таблице 1.

Полноразмерное изображение

Моделирование дает представление о ключевом параметре транзистора: конструкции штифта базового электрода. Длина, необходимая для падения поля от максимального значения почти до нуля, может быть интерпретирована как достижение базы л _р . При расстоянии между электродами более 25 мкм боковое поле близко к нулю для важной части устройства, вызывая большой начальный ток отключения, который не контролируется базовым током. На основе моделирования расстояние от основания до основания от 5 до 10 мкм кажется оптимальным.

На рис. 2d показано влияние размера и расположения основных электродов на усиление. При уменьшении ширины базового электрода с 25 мкм до теоретически 0 мкм (что эквивалентно отсутствию прямого перекрытия между базой, эмиттером и коллектором) максимальное усиление существенно возрастает, так как часть базового тока, которая не вклад в усиление уменьшается, тогда как управляемый ток коллектора остается прежним. Однако базовое перекрытие 0 мкм невозможно по технологическим причинам. Напротив, может быть достигнуто отрицательное перекрытие в смысле прокладки/зазора между концом базы и началом эмиттера. На рис. 2д показано результирующее усиление для такой конфигурации. Усиление уменьшается, как и ожидалось, поскольку важная краевая область возле базового электрода теперь значительно меньше участвует в переносе. Однако при длине зазора 1 мкм уменьшение сравнительно небольшое. Такая точность выравнивания может быть достигнута с помощью передовых методов трафаретной литографии.

Наконец, расстояние между соседними базовыми электродами изменяется, как показано на рис. 2f. Удивительно, но усиление немного увеличивается при увеличении расстояния между соседними базовыми электродами, хотя насыщение наблюдается выше 50 мкм. Это связано с тем, что, хотя боковое поле близко к нулю вдали от основания (рис. 2в), небольшой вклад в выходной ток все же вносится. Однако ток покоя также увеличивается при увеличении расстояния между базами, поскольку одновременно увеличивается перекрытие эмиттер-коллектор (рис. 2е). Следовательно, при разработке базового электрода существует компромисс между усилением тока и током отключения.

В целом моделирование подтверждает работу OBJT как с дифференциальным усилением, так и с усилением большого сигнала. Кроме того, они дают четкие рекомендации по дальнейшему совершенствованию устройств.

Скорость работы OBJT

При общей толщине устройства примерно 1 мкм и высокой вертикальной подвижности примерно 3 см ²  V ^–1  с ^–1 OBJT хорошо подходят для работы на высоких частотах. Наиболее важным параметром динамических характеристик транзистора любого типа является частота среза при единичном усилении. Прямое измерение этой величины требует достаточного усиления большого сигнала и стабильности работы. К сожалению, в наших OBJT мы получаем усиление большого сигнала только при максимальном приложенном смещении, что приводит к нестабильному поведению (рис. 1g). Тем не менее, мы разумно оцениваем максимальную скорость работы, оценивая резисторно-конденсаторное время системы. Подобно расчетам, выполненным для полевого транзистора, можно оценить максимальную скорость работы в виде частоты перехода из статических свойств, используя:

$${f}_{{\rm{T}}}=\frac{{g}_{{\rm{m}}}}{2{\rm{\pi }}C}$$

(1)

, где g _m и C обозначают крутизну транзистора и емкость соответственно. Крутизна описывает изменение выходного тока при входном напряжении. В случае OBJT это можно записать как:

$${g}_{{\rm{m}}}=\frac{{\partial I}_{{\rm{c}}}}{ \partial {V}_{{\rm{BE}}}}=\beta \frac{\partial {I}_{{\rm{B}}}}{\partial {V}_{{\rm{ БЫТЬ}}}}$$

(2)

Поскольку выходной ток ( I _C ) связан с входным током ( I _B ) через усиление ( β ), дифференциальная крутизна определяется дифференциальной проводимостью входного диода. Точно так же определяющая емкость определяется входным диодом, если предположить, что диффузия через базу достаточно быстрая, частота перехода, по-видимому, ограничена только свойствами входного диода. На основе результатов, полученных в результате моделирования, одна из целей состоит в том, чтобы максимально уменьшить прямой ток базы, что уменьшит проводимость входного диода. Однако усиление устройства будет соответственно увеличиваться, оставляя г _м постоянная. Прямое измерение частоты перехода затруднено для OBJT из-за паразитных диодов, которые влияют на фазу измерения слабого сигнала. Тем не менее, высокая степень согласия между прямыми измерениями частоты перехода и оценками крутизны/емкости в литературе позволяет нам оценить частотную характеристику наших OBJT ^13,14,27 . Для устройства, показанного на рис. 1g, результирующая крутизна достигает 0,1 См (рис. 1i) в диапазоне, в котором устройства демонстрируют усиление, тогда как емкость составляет около 10 пФ (рис. 1h). Это приводит к частоте перехода 1,6 ГГц, что аналогично скорости работы одиночных диодов на основе рубрена ²⁶ и, следовательно, обеспечивает значительный шаг (в 10–40 раз) по сравнению с современным уровнем развития органических транзисторов ^12,14 . Две причины превосходства OBJT: (1) высококристаллические пленки, которые обладают улучшенной подвижностью по сравнению с большинством OSC, и (2) сверхнизкая емкость устройств, связанная с конструкцией транзистора с вертикальным биполярным переходом. Кроме того, ограничения контактного сопротивления здесь менее заметны, потому что все интерфейсы металл-OSC легированы по умолчанию и не ограничивают инжекцию, что подтверждается поведением, подобным анализу тока с ограничением пространственного заряда, в устройствах с рубреновыми иглами.

Длина диффузии неосновных носителей заряда

Принцип работы OBJT основан на диффузии неосновных носителей заряда (дырок) через основу (n-легированную пленку). В идеальном устройстве длина диффузии может быть рассчитана непосредственно из концентраций легирующих примесей, ширины базового слоя и результирующего усиления. Однако, как обсуждалось, измеренное здесь усиление представляет собой не собственное усиление самого транзистора, а устройства как схемы. Тем не менее, наблюдение усиления доказывает диффузию неосновных носителей через базу с длиной диффузии неосновных носителей не менее 20 нм для устройств с легированием базы 1 % по массе. Кроме того, были проведены эксперименты, в которых варьировались свойства легирования и структура основы. В соответствии с теорией транзистора с неорганическим биполярным переходом как увеличение легирования базы с 1 % масс. до 5 % масс., так и увеличение толщины базового слоя существенно снижают усиление тока. Сильная зависимость OBJT от толщины базы и концентрации легирования связана с операцией диффузии неосновных носителей, что резко контрастирует с работой органических транзисторов с проницаемой базой, основанной на переносе большинства носителей. Можно оценить диффузионную длину от приборов с разной толщиной основания, когда все остальные параметры остаются одинаковыми. На рис. 3 показана работа OBJT на основе нового набора устройств с улучшенной геометрией электродов, уменьшающей площадь перекрытия электродов, не влияющего на работу транзистора. Уменьшение площади перекрытия паразитных электродов улучшает характеристики транзистора, что соответствует моделированию TCAD (рис. 3d). На основе этих измерений оценивается длина диффузии дырок через рубрен, легированный n, путем подбора классического соотношения биполярного перехода \(\beta \propto {\rm{\coth}}\left(\frac{W} {{L}_{{\rm{D}}}}\right)\) вместе с откалиброванным моделированием TCAD, чтобы быть примерно 50     нм, демонстрируя отличное согласие с экспериментальными результатами и работу устройства с преобладанием несущей частоты с использованием длина входной диффузии 50 нм (рис. 3d–f и расширенные данные, рис. 1 и 3). Диффузионные длины экситонов в микрометровом диапазоне, найденные в экспериментах по фотовозбуждению монокристаллов рубрена ²⁸ указывают на принципиально разные механизмы, управляющие транспортом и релаксацией неосновных дырок. Учитывая высокий структурный порядок кристаллов рубрена после легирования, рекомбинационные процессы, вероятно, обусловлены небольшим уширением состояний плотности. Наше устройство OBJT предоставляет инструмент для получения прямого доступа к физическим свойствам диффузии неосновных носителей в системах OSC с аналогичной высокой подвижностью, открывая возможность исследовать фундаментальные вопросы о механизмах рекомбинации неосновных носителей в OSC.

Рис. 3: Толщина и концентрация легирования OBJT.

a , b , Дифференциальная амплификация OBJT с различной толщиной базового слоя ( a ) и тетракис(гексагидропиримидинопиримидин)дивольфрама(II) (W ₂ (hpp) 5 концентраций 4 б ). c , d , Изображения с оптического микроскопа различных конструкций электродов OBJT ( c ) и соответствующие кривые дифференциального усиления устройства ( д ). Сплошные линии обозначают экспериментальные результаты, а полые символы обозначают результаты моделирования TCAD. Масштабные линейки, 100  мкм. Устройство имеет толщину основания 20 нм с концентрацией легирования 1% масс. W ₂ (hpp) ₄ . e , Нормализованное дифференциальное усиление как функция эффективной ширины базы и легирования. Эффективная ширина основания представляет собой толщину основания за вычетом длины пространственного заряда (2LSCL составляет приблизительно 10 нм, определенное из моделирования TCAD и электрических характеристик). Дифференциальное усиление снималось при токе базы 10 ^-5 мА, для которых наблюдается хорошее совпадение результатов TCAD и эксперимента. Столбики погрешностей обозначают стандартную ошибку среднего значения путем усреднения по пяти устройствам, подготовленным за один прогон. Красная кривая представляет собой аппроксимацию с неосновной диффузионной длиной 50 нм. f , Смоделированная TCAD плотность тока дырок в качестве неосновных носителей (вверху) и плотность тока электронов (внизу) в n-легированном базовом слое.

Изображение в натуральную величину

Таким образом, мы демонстрируем функциональный OBJT, доставляя недостающую часть головоломки на дорожной карте органических транзисторов. Наши OBJT, основанные на высококристаллических тонкопленочных кристаллах рубрена, не только открывают многообещающий путь к сверхвысокочастотным органическим транзисторам, но также позволяют изучать важные фундаментальные физические параметры, такие как длина диффузии неосновных носителей, которая оценивается примерно в 50 нм. при концентрации легирования 5 мас.% для кристаллов рубрена. Мы считаем, что наши результаты прокладывают путь к высокопроизводительным органическим электронным устройствам следующего поколения и предоставляют инструмент для понимания физики диффузии носителей в OSC с высокой подвижностью.

Методы

Детали получения тонкопленочных кристаллов рубрена

Процедуры выращивания

Общий процесс выращивания тонкопленочных кристаллов рубрена описан в ссылках. ^29,30 . На рис. 4a,b с расширенными данными мы показываем процесс изготовления тонкопленочных кристаллов рубрена и типы фазы тонкопленочных кристаллов рубрена при легировании соответственно. Тонкий слой аморфного рубрена наносится на подложку методом вакуумного осаждения, а затем отжигается в атмосфере азота, чтобы инициировать рост кристаллов. Возможны различные кристаллические фазы в зависимости от свойств поверхности и температуры нагрева. Тремя наиболее распространенными типами кристаллов являются триклинные сферолиты, орторомбические сферолиты и орторомбические пластинки (расширенные данные, рис. 4b). Триклинные кристаллы начинают формироваться примерно при 120 °C и являются наиболее прочными и воспроизводимыми из обычных кристаллических фаз. Ранее мы показали улучшенные свойства триклинных пленок в гигагерцовых диодах ²⁶ . Хотя вертикальная подвижность в этих триклинных пленках высока, латеральный транспорт неэффективен из-за сильно разветвленной природы этих пленок. Орторомбические кристаллы находятся в центре внимания в большинстве публикаций из-за изотропных свойств переноса заряда, возникающих из-за их молекулярной упаковки в елочку с идеальным перекрытием волновых функций ^31,32,33 . Сферолитная конфигурация орторомбической упаковки растет при более высоких температурах выше 170 °С без сильного разветвления и может быть легко идентифицирована под поляризованным микроскопом по прямым лучам, расходящимся веером из отдельного центра каждого кристаллита. Орторомбические тромбоциты представляют собой наиболее сложную фазу для последовательного создания. Нагрев от 150°C до 170°C обычно приводит к образованию нескольких монокристаллов или скоплений кристаллов, распределенных по поверхности. Предыдущее исследование показало, что равномерное и поверхностное распределение кристаллов пластинок может быть достигнуто путем введения подслоя с соответствующей температурой стеклования 9.1382 34 . Здесь мы используем 5 нм 4,4′-циклогексилиденбис[ N , N -бис(4-метилфенил)бензоламин] (TAPC), что приводит к успешному росту кристаллов на стеклянных и кремниевых подложках, а также структурированных металлах и индиях. электроды из оксида олова ³⁵ .

Эпитаксия и легирование

Чтобы создать OBJT, нам нужно точно контролировать общую толщину кристалла и последовательность легированных пленок, чтобы реализовать сложные наборы устройств. Мы вводили легирование с помощью совместного испарения в исходный затравочный и эпитаксиально выращенный слои. Максимальная концентрация легирующей примеси, которая позволяет воспроизводимую кристаллизацию затравки, составляет менее 2  мас.% как для исследуемых здесь примесей p-типа, так и для n-типа. Пленки, добавленные с помощью эпитаксии, могут быть легированы в значительно более высоких концентрациях без каких-либо значительных изменений в морфологии, видимых с помощью поляризованной микроскопии. Однако изменение свойств поверхности можно увидеть при измерениях с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Плато, перемешанные с линейными и винтовыми дислокациями, описанными в работе. ³⁶ видны для нелегированных кристаллов, но постепенно превращаются в более зернистую поверхность с меньшим количеством отличительных особенностей при введении легирования (расширенные данные, рис. 5 и 6).

Структурный анализ

Измерения GIWAXS тонких пленок затравки и объемного материала показывают изменение молекулярной упаковки кристаллов рубрена при легировании. Двумерные (2D) графики изображения рассеяния (расширенные данные, рис. 7а) доказывают высокую степень кристалличности, особенно орторомбической формы пластинок. Ширины соответствующих пиков рассеяния указывают на степень беспорядка вдоль соответствующей оси. Здесь сигнал в плоскости ( xy ) соответствует a — и b — кристаллической оси элементарной ячейки рубрена, что важно для латерального транспорта. Ось вне плоскости определяется осью c , соответствующей вертикальной транспортировке. Расширенные данные На рис. 7b показано изменение ширины пика в обоих направлениях в зависимости от концентрации и типа легирования. Пики значительно шире в направлении вне плоскости, что, однако, может быть частично связано с тем, как анализируются данные (см. раздел «Анализ GIWAXS» и расширенные данные, рис. 8). Относительное изменение, однако, более важно, чем абсолютные значения. Данные в плоскости ведут себя, как и ожидалось, в том смысле, что более высокая концентрация легирования приводит к уширению пиков, что указывает на снижение молекулярного порядка. Введение н-примеси тетракис(гексагидропиримидинопиримидин)дитольфрама(II) (W ₂ (hpp) ₄ ) оказывает более сильное воздействие, чем п-добавка 1,3,4,5,7,8-гексафтортетрацианонафтохинодиметан (F ₆ -TCNNQ), когда обе пленки легированы до одинаковой массовой концентрации . Введение легирующей примеси в объемную часть пленки обычно увеличивает беспорядок в пленке как для пластинчатых, так и для сферолитовых образцов (расширенные данные, рис. 7б). Ось вне плоскости ведет себя иначе. Здесь легирование затравки показывает сильное изменение ширины пика, предполагая, что интеграция примеси в структуру во время кристаллизации затравки влияет главным образом на c направление. Интеграция легирующей примеси в объемные пленки постепенно увеличивает ширину пика, аналогично поведению в плоскости. Однако относительно более сильное влияние n-примеси по сравнению с p-добавкой проявляется еще сильнее. Можно сделать вывод, что введение молекул допанта изменяет молекулярную структуру пленок рубрена, но лишь в ограниченной степени. Более высокие концентрации легирования создают более сильное возмущение, тогда как W ₂ (hpp) ₄ оказывает более сильное влияние, чем F6-TCNNQ, предположительно из-за размера и стерических свойств трех молекул.

Перенос заряда

Боковой электрический перенос широко изучался в нелегированных пленках всех трех кристаллических фаз ^{26,29,34,35,37,38} . Lateral mobilities are in the range of 10 ⁻²  cm ²  V ⁻¹  s ⁻¹ for triclinic films ²⁵ and 1–4 cm ²  V ⁻¹  s ⁻¹ для ромбических пленок ^34,35,37,38 . Боковая подвижность носителей заряда в пластинках обычно немного лучше, чем в сферолитовых кристаллах, в зависимости от ориентации кристалла к электроду. Однако в вертикальных органических устройствах, включая исследованные здесь транзисторы с биполярным переходом, латеральный и вертикальный транспорт происходят одновременно. Ранее нами были представлены данные о вертикальном и латеральном транспорте нелегированных и легированных пленок триклинной кристаллической фазы 9. 1382 25 . Несмотря на превосходные транспортные свойства в вертикальном направлении, эти пленки не подходят для устройств OBJT из-за их посредственных транспортных свойств в поперечном направлении. Поэтому мы сосредоточимся в основном на свойствах вертикального переноса заряда в орторомбических кристаллах, которые имеют отношение к нашим устройствам OBJT.

Расширенные данные На рис. 4c показаны кривые IV кристаллических тонких пленок всех трех кристаллических фаз для нелегированного материала с длиной волны 400 нм, зажатого между золотыми электродами. В отличие от латеральных измерений, вертикальная проводимость наибольшая для триклинных пленок, тогда как оба типа орторомбических кристаллов ведут себя одинаково. Этот вывод является ожидаемым, поскольку стопки, перпендикулярные поверхности, более плотные в триклинной полиморфной модификации и идентичны для обоих типов орторомбических кристаллов. Различия между тромбоцитарными и сферолитными пленками можно объяснить влиянием инжекции из-за низкой подвижности и потенциала глубокой ионизации подслоя ТАРС, используемого для тромбоцитов ³⁹ .

Для дальнейшего анализа переноса мы выполнили анализ тока с ограничением объемного заряда (SCLC) для сферолитовых кристаллов на основе наборов пленок с 400  нм и 600  нм собственного кристалла ( L ), зажатых между 40  нм инжектируемого слои, легированные 5  вес.% p-примеси F6-TCNNQ и золотыми электродами (расширенные данные, рис. 4e). При высоких напряжениях (более 1 В) видна четкая квадратичная зависимость, свидетельствующая о ТОПЗ-поведении дырок. Расчетная вертикальная подвижность кристаллов сферолита составляет около 3  см 9 .1382 2  V ⁻¹  s ⁻¹ (см. расширенные данные на рис. 9а для подробного анализа SCLC), что ниже, чем у триклинной кристаллической фазы (примерно 10 см ²  V ⁻¹ −1 ) ²⁶ . Разница между вертикальной и латеральной подвижностью в орторомбических кристаллах близка к изотропной, что выгодно для приложений, в которых перенос заряда происходит как в латеральном, так и в вертикальном направлениях. В качестве иллюстрации расширенные данные рис. 4d (сферолиты) и расширенные данные рис. 9б (пластинки) показывают влияние легирования F6-TCNNQ на вертикальную проводимость тока. Даже небольшое количество легирования увеличивает вертикальную проводимость на порядки. Повышенная проводимость при малых напряжениях (менее 0,1 В) указывает на то, что значительная часть этого увеличения проводимости может быть связана со снижением сопротивления инжекции. Дальнейшее увеличение концентрации легирования вызывает соответствующее увеличение тока; однако эффективность процесса легирования снижается с более высокой концентрацией легирования, как и ожидается от высококристаллических систем ⁴⁰ . Электронное легирование рубрена n-примесью W ₂ (hpp) ₄ работает аналогично, но с меньшей эффективностью легирования и меньшей подвижностью носителей заряда ^26,41 .

Подготовка образцов

Приборы изготовлены на стеклянных пластинах размером 25 × 25 мм ² . Подложки очищают в ацетоне, этаноле, изопропаноле и деионизированной воде. Каждую подложку обрабатывают раствором пираньи в течение 15 минут, чтобы получить чистую и гидрофильную поверхность, а затем промывают в деионизированной воде и сушат азотом. Рубрен предоставлен TCI, а F ₆ -TCNNQ и W ₂ (HPP) ₄ предоставляются Novaled. Слои наносят методом термического испарения в вакууме при базовом давлении 1 × 10 ⁻⁸   мбар. Скорость испарения семян не влияет на остальную часть процесса. После нанесения нижнего металлического электрода (30–40 нм), подслоя ТАПК (5 нм) и первого аморфного слоя рубрена (30–40 нм) образцы переносятся в бардачок с азотом, без доступа воздуха. Термообработку проводят на предварительно разогретой плитке при 160–180 °С в течение 1–3 мин. При необходимости добавляются дополнительные слои с использованием совместного испарения рубрена и легирующей примеси с тем же вакуумным напылением со скоростью от 0,5 Å с ⁻¹ и 3 Å s ⁻¹ в зависимости от концентрации легирования. Электроды и полупроводник структурированы с помощью теневых масок. Активные области для измерений проводимости и SCLC варьируются от 50 × 50 мкм ² до 150 × 150 мкм ² . Устройства, используемые для измерения проводимости, имеют общую толщину 400 нм. Исходное семя не легировано. На электроды не вводится никакое дополнительное легирование, кроме данного объемного легирования. SCLC анализировали с использованием двух наборов приборов с общей толщиной 400 нм и 600 нм л каждая и активные области от 50 × 50 мкм ² до 150 × 150 мкм ² . Стек состоит из 20 нм нелегированной затравки и соответствующей толщины нелегированного объемного слоя, зажатого между 40 нм легированной пленки (5 % по массе для инжекции) и 30 нм золота. Значение подвижности извлекается с использованием 1/ L ³ зависимости подгонок, полученных из подгонок В ² -зависимого тока SCLC. Для устройств OBJT трафаретные маски на основе кремния используются для структурирования металлических электродов, электроды эмиттера и коллектора состоят из простых перекрывающихся прямоугольников, тогда как базовые электроды состоят из гребнеобразной структуры с прямоугольными пальцами. Ширина электродов эмиттера и коллектора составляет 100 мкм и 60 мкм соответственно. Ширина основных пальцев составляет 12 мкм, расстояние между ними сохраняется на уровне 12 мкм. Количество пальцев в каждой из гребенчатых структур базового электрода регулируется в соответствии с шириной и расстоянием между пальцами, чтобы приблизительно покрыть площадь перекрытия между эмиттерным и коллекторным электродами. Устройства, использованные для испытаний, показанных на рис. 3, имеют пальцеобразные электроды толщиной около 15 мкм как для эмиттера, так и для базы. Коллекторный электрод представляет собой либо стандартную прямоугольную полоску, либо пальцеобразный электрод (детали представлены на рис. 10 с расширенными данными).

Измерения

Мы выполнили измерения электрического постоянного тока с использованием источников-измерителей Keithley 236, Keithley 2400 и Keithley 2600, в которых измерения емкости проводились с помощью HP 4284A в атмосфере азота. Электрические измерения были выполнены с использованием программного обеспечения SweepMe! (sweep-me. net). Микрофотографии были получены с помощью поляризационного микроскопа Nikon Eclipse LC100 PL/DS. Мы выполнили измерения АСМ с помощью AIST-NT Combiscope1000 и измерения GIWAXS на линии луча Bl11 NCD-Sweet на синхротроне ALBA в Барселоне, Испания. Тонкие пленки освещались под углом скольжения 0,12 с энергией луча 12,95 кэВ и размер пучка 70 × 150 м ² (по вертикали × по горизонтали). Дифракционная картина была записана с помощью детектора площади LX255-HS от Rayonix, который был помещен примерно в 14 см позади образцов. Оксид хрома (Cr ₂ O ₃ ) использовали для калибровки расстояния образец-детектор и положения луча на детекторе. Данные были проанализированы с помощью программного обеспечения WxDiff (S.M.).

Моделирование TCAD

Synopsys TCAD использовался с расширенными физическими моделями и инструментами моделирования устройств (редактор структуры, sdevice, svisual и inspect) для моделирования электрических характеристик OBJT и анализа результатов моделирования. Измеренные данные OBJT использовались для настройки и калибровки симулятора TCAD от Synopsys Sentaurus. Считалось, что гауссова плотность состояний аппроксимирует эффективную плотность состояний носителя в OSC. Модель мобильности Пула-Френкеля, зависящая от электрического поля, использовалась для обеспечения прыжкового транспорта носителей. Мы использовали модель генерации постоянных носителей для расчета процесса генерации и рекомбинации постоянных носителей.

Анализ GIWAXS

Оценка качества кристаллов в плоскостном и внеплоскостном направлениях

Для оценки качества кристаллов рубреновых пленок с различным легированием для обеих кристаллических структур (т. 121) Отражение ( Q _XY = 1,23 Å ⁻¹ и Q _Z = 0,23 Å ^{–13833333333333333333333333333333 гг.1440 Q — вектор рассеяния, Q _xy — вектор рассеяния в плоскости и Q _z — вектор рассеяния вне плоскости). Были проанализированы направления как в плоскости, так и вне ее, чтобы получить информацию о качестве кристалла в плоскости подложки и перпендикулярно ей. Во время измерений мы поворачивали каждый образец на 360° в плоскости подложки и делали отдельные снимки через каждые 1,23°.}

Анализ плоскостного направления

Для анализа качества кристаллов в плоскости мы сделали отдельные изображения под определенными углами, чтобы свести к минимуму появление множественных пиков, происходящих от одного и того же отражения (вызванных разными положениями рассеяния на образце). . Сначала из изображения рассеяния были извлечены сегменты торта в диапазоне от Q = 1,15 Å ⁻¹ до Q = 1,35 Å ^-1 и от χ = 6 ° до χ = 15 ° (где χ χ wans χ ). Затем сегмент пирога был преобразован в график х против х . From this plot, the columns were summed up in an area ranging from Q  = 1.15 Å ⁻¹ to Q  = 1. 35 Å ⁻¹ and from χ  = 6.1° to χ  = 14.9° . Пять процентов данных с каждой стороны по горизонтали использовались для удаления линейного фона путем подгонки.

Анализ внеплоскостного направления

Для анализа качества внеплоскостного кристалла мы усреднили изображения, сделанные под отдельными углами. Это стало возможным, потому что множественные пики, вызванные рассеянием из разных положений на образцах, приводят к пикам, центр которых выровнен по линии, проходящей от центра пучка. Первые сегменты корки были извлечены из изображения рассеяния в диапазоне от Q  = 1,15 Å ⁻¹ до Q  = 1,35 Å ⁻¹ и от х  = 6° до х  = 15°. Сегмент пирога затем был преобразован в график х по сравнению с х . From this plot, the rows were summed up in an area ranging from Q  = 1.15 Å ⁻¹ to Q  = 1.35 Å ⁻¹ and from χ  = 6.1°to χ  = 14. 9° . Пять процентов данных с каждой стороны по вертикали использовались для удаления линейного фона путем подгонки.

Анализ пиков в плоскости

905:10 Полученные спектры были аппроксимированы с использованием кривых Гаусса и постоянного смещения. Количество используемых гауссианов определялось качеством подгонки и оценкой количества пиков, различимых на двумерных изображениях рассеяния. Полученные спектры аппроксимировались с использованием одной кривой Гаусса с постоянным смещением.

Доступность данных

Данные, подтверждающие результаты этого исследования, доступны по адресу https://opara.zih.tu-dresden.de/xmlui/handle/123456789./2048.

Ссылки

1. Сомея, Т., Бао, З. и Маллиарас, Г. Г. Рост пластиковой биоэлектроники. Природа 540 , 379–385 (2016).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

2. «>

   Ван, С. и др. Электроника кожи из масштабируемого изготовления массива транзисторов с возможностью растяжения. Природа 555 , 83–88 (2018).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

3. Ходаголы Д. и др. Запись активности мозга in vivo с использованием органических транзисторов. Нац. коммун. 4 , 1575 (2013).

   ПабМед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

4. Sirringhaus, H. Статья к 25-летию: органические полевые транзисторы: выход за пределы аморфного кремния. Доп. Матер. 26 , 1319–1335 (2014).

   КАС пабмед ПабМед Центральный Статья Google ученый

5. Клаук, Х., Зшишанг, У., Пфлаум, Дж. и Халик, М. Органические дополнительные схемы сверхмалой мощности. Природа 445 , 745–748 (2007).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

6. Штутцманн, Н., Френд, Р. Х. и Сиррингхаус, Х. Самовыравнивающиеся полимерные полевые транзисторы с вертикальным каналом. Наука 299 , 1881–1884 (2003).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

7. Фратини С., Николка М., Саллео А., Швейхер Г. и Сиррингхаус Х. Перенос заряда в сопряженных полимерах с высокой подвижностью и молекулярных полупроводниках. Нац. Матер. 19 , 491–502 (2020).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

8. Цуруми, Дж. и др. Сосуществование сверхдлительного времени спиновой релаксации и когерентного переноса заряда в органических монокристаллических полупроводниках. Нац. физ. 13 , 994–998 (2017).

   КАС Статья Google ученый

9. Мыни К. Разработка гибких интегральных схем на основе тонкопленочных транзисторов. Нац. Электрон. 1 , 30–39 (2018).

   КАС Статья Google ученый

10. Люссем, Б. и др. Легированные органические транзисторы, работающие в режиме инверсии и обеднения. Нац. коммун. 4 , 2775 (2013).

    ПабМед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

11. Климанн Х., Кречан К., Фишер А. и Лео К. Обзор вертикальных органических транзисторов. Доп. Функц. Матер. 30 , 1

    3 (2020).

    КАС Статья Google ученый

12. Kheradmand-Boroujeni, B. et al. Метод измерения слабого сигнала, обеспечивающий работу вертикальных органических транзисторов на частоте 40  МГц. наук. Респ. 8 , 7643 (2018).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

13. Borchert, J.W. et al. Гибкие низковольтные высокочастотные органические тонкопленочные транзисторы. наук. Доп. 6 , eaaz5156 (2020).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

14. Перино, А., Джорджио, М., Маттоли, В., Натали, Д. и Кайрони, М. Органическая электроника набирает обороты: органические транзисторы без масок, обработанные раствором, работающие на частоте 160 МГц. Доп. науч. 8 , 2001098 (2021).

    КАС Статья Google ученый

15. «>

    Guo, E. et al. Вертикальные органические проницаемые двухбазовые транзисторы для логических схем. Нац. коммун. 11 , 4725 (2020).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

16. Клаук Х. Увидим ли мы гигагерцовые органические транзисторы? Доп. Электрон. Матер. 4 , 1700474 (2018).

    Артикул КАС Google ученый

17. Higgins, S.G. et al. Самовыравнивающиеся органические полевые транзисторы на пластике с пикофарадными перекрывающими емкостями и мегагерцовыми рабочими частотами. Заяв. физ. лат. 108 , 023302 (2016).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

18. Чакраборти, П. С. и др. 130 нм, 0,8 ТГц fmax, 1,6 В BVCEO SiGe HBT, работающие при 4,3 К. IEEE Electron Device Lett. 35 , 151–153 (2014).

    КАС Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

19. Friend, R.H. et al. Экситоны и заряды на гетеропереходах органических полупроводников. Фарадей Обсудить. 155 , 339–348 (2012).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

20. Schwarze, M. et al. Разработка зонной структуры в органических полупроводниках. Наука 352 , 1446–1449 (2016).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

21. Burlingame, Q. et al. Сантиметровая диффузия электронов в фотоактивных органических гетероструктурах. Природа 554 , 77–80 (2018).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

22. «>

    Саркар Д. и Халас Н. Дж. Эффект Дембера в C ₆₀ тонкие пленки. Твердотельный коммуник. 90 , 261–265 (1994).

    КАС Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

23. Лант, Р. Р., Гибинк, Н. К., Белак, А. А., Бензигер, Дж. Б. и Форрест, С. Р. Длина диффузии экситонов в тонких пленках органических полупроводников, измеренная с помощью тушения фотолюминесценции со спектральным разрешением. Дж. Заявл. физ. 105 , 053711 (2009).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

24. Лант, Р. Р., Бензигер, Дж. Б. и Форрест, С. Р. Связь между кристаллическим порядком и экситонной диффузионной длиной в молекулярных органических полупроводниках. Доп. Матер. 22 , 1233–1236 (2010).

    КАС пабмед Статья Google ученый

25. «>

    Siegmund, B. et al. Длина диффузии экситона и коэффициент извлечения заряда в органических двухслойных солнечных элементах. Доп. Матер. 29 , 1604424 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

26. Sawatzki, M. F. et al. Легированные высококристаллические органические пленки: к высокоэффективной органической электронике. Доп. науч. 8 , 2003519 (2021).

    КАС Статья Google ученый

27. Ямамура, А. и др. Быстродействующий органический монокристаллический транзистор, реагирующий на очень высокие частоты. Доп. Функц. Матер. 30 , 1

    1 (2020).

    КАС Статья Google ученый

28. Наджафов Х., Ли Б., Чжоу К., Фельдман Л.К. и Подзоров В. Наблюдение диффузии экситонов на большие расстояния в высокоупорядоченных органических полупроводниках. Нац. Матер. 9 , 938–943 (2010).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

29. Парк, ЮЗ-З. и другие. Рубреновые тонкопленочные транзисторы с кристаллическими и аморфными каналами. Заяв. физ. лат. 90 , 153512 (2007 г.).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

30. Verreet, B., Heremans, P., Stesmans, A. & Rand, B.P. Микрокристаллические органические тонкопленочные солнечные элементы. Доп. Матер. 25 , 5504–5507 (2013).

    КАС пабмед Статья Google ученый

31. Fratini, S., Ciuchi, S., Mayou, D., Trambly de Laissardière, G. & Troisi, A. Карта высокомобильных молекулярных полупроводников. Нац. Матер. 16 , 998–1002 (2017).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

32. «>

    Подзоров В., Менар Э., Роджерс Дж. А., Гершенсон М. Э. Эффект Холла в аккумулирующих слоях на поверхности органических полупроводников. физ. Преподобный Летт. 95 , 226601 (2005).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

33. Dacuña, J. & Salleo, A. Моделирование токов, ограниченных пространственным зарядом, в органических полупроводниках: определение плотности ловушек и подвижности. Физ. B 84 , 195209 (2011).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

34. Fusella, M. A. et al. Использование подслоя для кристаллизации больших площадей тонких пленок рубрена. Хим. Матер. 29 , 6666–6673 (2017).

    КАС Статья Google ученый

35. Ван, С.-Дж. и другие. Вакуумная обработка легированных тонкопленочных кристаллов большой площади: новый подход к высокопроизводительной органической электронике. Матер. Сегодня физ. 17 , 100352 (2021).

    КАС Статья Google ученый

36. Fusella, M. A. et al. Гомоэпитаксия тонких пленок кристаллического рубрена. Нано Летт. 17 , 3040–3046 (2017).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

37. Lee, H. et al. Высококачественные тонкие пленки кристаллического рубрена, индуцированные резким нагревом, для тонкопленочных органических транзисторов. Орг. Электрон. 12 , 1446–1453 (2011).

    КАС Статья Google ученый

38. Ли, Х., Ким, Дж., Чой, Дж. и Чо, С. Создание рисунка на месте высококачественных тонких пленок кристаллического рубрена для структурированных органических полевых транзисторов с высоким разрешением. ACS Nano 5 , 8352–8356 (2011).

    КАС пабмед Статья Google ученый

39. Аонума, М., Оямада, Т., Сасабе, Х., Мики, Т. и Адачи, С. Дизайн материалов для транспортировки отверстий, способных образовывать толстую пленку в органических светоизлучающих диодах. Заяв. физ. лат. 90 , 183503 (2007 г.).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

40. Tietze, M.L. et al. Элементарные этапы электрического легирования органических полупроводников. Нац. коммун. 9 , 1182 (2018).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

41. Бисри С., Такенобу Т., Такахаши Т. и Иваса Ю. Транспорт электронов в рубреновых монокристаллических транзисторах. Заяв. физ. лат. 96 , 183304 (2010).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Мы благодарим A. Hiess и F. Winkler за изготовление трафаретных масок. Эксперименты GIWAXS проводились на линии пучка Bl11 NCD-SWEET на синхротроне ALBA в сотрудничестве с персоналом ALBA. Ф.Т. и С.М. признаем финансовую поддержку со стороны Немецкого исследовательского фонда (DFG, MA 3342/6-1) и признаем поддержку со стороны German Excellence Initiative через Cluster of Excellence EXC 1056 Центр развития электроники в Дрездене (cfaed). К.Л. подтверждает финансирование проекта DFG Le747/52.

Информация о авторе

Авторы Примечания

1. Эти авторы внесли свой вклад в равной степени: Shu-Jen Wang, Michael Sawatzki

АВТОРЫ И АРМИКАЦИЯ

1. DRESDE Дрезден, Дрезден, Германия

   Shu-Jen Wang, Michael Sawatzki, Jörn Vahland, Hans Kleemann и Karl Leo

2. NanoP, Technische Hochschule Mittelhessen, Университет прикладных наук, Гиссен, Германия

   Ghader Darbandy & Alexander Kloes

3. Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Technische Universität Dresden, Dresden, Germany

   Felix Talnack, Stefan Mannsfeld & Karl Leo

4. ALBA Synchrotron, Barcelona, ​​Spain

   Marc Malfois

Авторы

1. Shu-Jen Wang

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

2. Michael Sawatzki

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Ghader Darbandy

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Felix Talnack

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Jörn Vahland

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Marc Malfois

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

7. Alexander Kloes

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

8. Стефан Маннсфельд

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

9. Hans Kleemann

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

10. Karl Leo

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

S. -J.W., MS, H.K. и К.Л. разработали и спланировали эксперименты. С.-Дж.В. и М.С. выполнила изготовление устройства и электрические характеристики при участии J.V.G.D. и A.K. выполнили моделирование TCAD. Ф.Т., М.М. и С.М. выполнил анализ GIWAXS. Х.К. и К.Л. руководил работой. Все авторы обсудили результаты и внесли свой вклад в подготовку рукописи.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Карл Лео.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Рецензирование

Информация о рецензировании

Nature благодарит анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы. Доступны отчеты рецензентов.

Дополнительная информация

Примечание издателя г. Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Рисунки и таблицы с расширенными данными

Расширенные данные Рис.

1 Легированные тонкопленочные кристаллы рубрена и их электрические характеристики.

( a ) Схематическое изображение метода кристаллизации. ( b ) Поляризованные микроскопические изображения орторомбических пластинок и сферолитов при различных концентрациях легирования (мас.%). ( с ) IV характеристики нелегированных пленок рубрена в трех различных кристаллических фазах: Стек состоит из 30 нм нелегированной затравки и 370 нм объемной нелегированной пленки между Au-электродами (активная площадь 100 мкм × 100 мкм). ( d ) IV Характеристика орторомбического сферолита в вертикальном направлении с различными концентрациями p-примеси F6-TCNNQ: Пакет состоит из 30 нм нелегированной затравки и 370 нм легированной объемной пленки между Au-электродами. ( и ) IV — кривая для различной толщины кристаллов орторомбического сферолита рубрена и подгонки SCLC. В ²-режим, ожидаемый от SCLC, отмечен оранжевыми линиями и используется для расчета вертикальной подвижности 3,3 ± 2,5 см ² В ^-1 с ^-1 (подробности приведены в СИ).

Расширенные данные Рис. 2 Морфология тонкопленочных затравочных кристаллов рубрена.

Поверхностные свойства, измеренные с помощью АСМ нелегированных орторомбических пластинок рубрена при различных увеличениях и условиях роста. ( и ), выращенный без подслоя (только затравка 30 нм). ( b-d ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя (затравка 30 нм, объем 80 нм). ( e , f ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя и 40 нм Al между затравкой и объемом (30 нм затравки, 80 нм объема).

Расширенные данные Рис. 3 Морфология тонкопленочных кристаллов рубрена с легированием.

Свойства поверхности, измеренные с помощью АСМ орторомбических рубреновых пластинок, легированных F6-TCNNQ, при различных увеличениях. ( a ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя и 5 мас.% F6-TCNNQ (затравка 30 нм, объем 80 нм). ( b ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя и 20 мас.% F6-TCNNQ (затравка 30 нм, объем 80 нм).

Расширенные данные Рис. 4 Рентгеновская характеристика легированных тонкопленочных кристаллов рубрена.

( a ) Обзор всего измерения GIWAXS для орторомбической пленки тромбоцитов. Структурная характеристика тонких пленок. Ширина пика 221 из измерений GIWAXS, извлеченная из аппроксимации гауссовых распределений орторомбического сферолита ( b ) и орторомбические пластинчатые ( c ) кристаллы. На вставке показан пример пика и соответствующий фитинг. Подробности, касающиеся извлечения ширины пика, приведены в экспериментальной части. Число в круглых скобках после затравки (легирование в затравочном слое) или после наполнения (последующее легирование в объеме пленки) обозначает концентрацию легирования в мас. % и p/n в квадратных скобках обозначают легирование p-типа или n-типа.

Расширенные данные Рис. 5 Анализ GIWAXS.

( a ) Форма пика сигнала 121 для сферолитовой кристаллической пленки, извлеченная из измерения GIWAXS. ( b ) Форма пика сигнала 121 для кристаллической пленки тромбоцитов, извлеченная из измерения GIWAXS. ( c ) Пример подгонки для процедуры подгонки в плоскости.

Расширенные данные Рис. 6 Анализ вертикального переноса заряда.

( a ) SCLC анализ подвижности носителей заряда орторомбических сферолитовых пленок в вертикальном направлении (легированные слои р-типа на нижнем и верхнем электродах для инжекции). Режим SCLC был извлечен из устройств толщиной 400 нм и 600 нм с восемью устройствами на толщину с различной активной площадью. Столбики погрешностей обозначают стандартное отклонение, рассчитанное для нескольких устройств и различных активных областей устройства (у более тонких устройств разброс больше). Результирующая подвижность рассчитывается из 1/ L ³-зависимость закона Мотта Герни. Неопределенность значения основана на отклонении, измеренном от отдельных устройств. На вставке показаны фитинги SCLC, как показано на рис. 1е. ( b ) IV характеристика орторомбических пластинчатых кристаллов в вертикальном направлении с различными концентрациями p-примеси F6-TCNNQ: Стек (вставка) состоит из 30 нм нелегированной затравки и 370 нм легированной объемной пленки между Au-электродами . Кристаллы выращиваются на 5-нм TAPC в качестве подслоя.

Расширенные данные Рис. 7 Измерения емкости.

Нормализованная по площади емкость отдельного пинипа на основе рубрена при различных условиях смещения и различных частотах измерения. Активная площадь составляет 150 мкм × 75 мкм. Устройство полностью симметрично и состоит из двух 200-нм p-легированных, двух 200-нм собственных и 40-нм n-легированных рубрена.

Расширенные данные Рис. 8 Дополнительные характеристики OBJT.

( a ) IV измерения отдельных компонентов OBJT, показанных на рис. 2c. Третий, неиспользуемый электрод остается плавающим в каждом отдельном измерении. ( b ) Добавочный ток на выходе, коллектор с повышенным током базы для устройства с той же конструкцией стека, что и на рис. 2г, но с более толстой базой (50 нм), легированной при более высокой концентрации легирования (5 мас. %) для различных напряжений эмиттер-коллектор -12 и -20В. ( c ) Результирующее усиление для устройства с той же конструкцией стопки, что и показанная на рис. 2d, но с более толстой базой (50 нм), легированной при более высокой концентрации легирования (5 мас.%) для разных напряжений эмиттер-коллектор. -12 и -20В.

Расширенные данные Рис. 9 Дополнительные измерения OBJT в зависимости от толщины и температуры.

( a ) Результирующее усиление устройств с той же конструкцией стопки, что и показанная на рис. 2d, но с более высокой концентрацией легирования (5 мас.%) и шириной базы 10 нм и 50 нм соответственно. Как и ожидалось, более высокое легирование основы и более толстый базовый слой уменьшают усиление. Из изменения усиления при толщине основания Вт можно получить оценку длины диффузии через β ∝ coth( W / L _D ). В качестве среднего из этих расчетов можно извлечь значение 50 нм. ( b ) Зависимое от температуры дифференциальное усиление устройств с такой же конструкцией стека, как показано на рис. 2d. Зависимое от температуры дифференциальное усиление устройства подразумевает увеличение длины диффузии заряда с температурой, что согласуется с устройством, управляемым диффузией. Значения температуры в легенде указаны в К.

Расширенные данные Рис. 10 Схема устройства OBJT.

Схематическое сечение изготовленного OBJT с 10 пальцами ( a ) исполнение 1, ( b ) исполнение 2 и соответствующие размеры одного одиночного пальца ( c ) исполнение 1, ( d ) исполнение 2.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Дополнительная информация Рис. 1–4 и Таблица 1.

Файл экспертной оценки

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Разработка спин-обменного взаимодействия в органических полупроводниках

  • Акшай Рао
  • Александр Джеймс Джиллет
  • Ричард Генри Друг

  Природные материалы (2022)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Транзистор с биполярным переходом (BJT) Основы

Структура BJT

• BJT состоит из трех легированных полупроводниковых областей ( эмиттер , база и два коллекторных p-перехода ), разделенных n.

• Один тип состоит из двух n-областей, разделенных p-областью (npn), а другой тип состоит из двух p-областей, разделенных n-областью (pnp).

• Термин «биполярный» относится к использованию как дырок, так и электронов в качестве носителей тока в структуре транзистора.

Рис. 1. Базовая структура биполярного транзистора

• Pn-переход, соединяющий область базы и область эмиттера, называется переходом база-эмиттер .

• pn-переход, соединяющий область основания и область коллектора, называется переходом база-коллектор .

• Провод подключается к каждой из трех областей.

• Выводы помечены E, B и C для обозначения эмиттера, базы и коллектора соответственно.

• Базовая область слабо легирована и очень тонкая по сравнению с сильно легированной эмиттерной и умеренно легированной областями коллектора.

• На рис. 2 показаны схематические обозначения транзисторов с биполярным переходом npn и pnp.

Рис. 2: Стандартные символы BJT

Основные операции BJT

Смещение

Рис. 3: Прямое-обратное смещение BJT

Основные операции BJT

Работа: Внутри структуры npn

• Сильно легированная область эмиттера n-типа имеет очень высокую плотность (свободных) электронов в зоне проводимости.

• Эти свободные электроны легко диффундируют через прямой BE-переход в слаболегированную и очень тонкую базовую область p-типа.

• База имеет низкую плотность отверстий, которые являются основными носителями.

• Небольшой процент от общего числа свободных электронов, инжектированных в базовую область, рекомбинирует с дырками и перемещается в виде валентных электронов через базовую область в эмиттерную область в виде дырочного тока.

Рисунок 4: Работа BJT, показывающая поток электронов

• Когда электроны, рекомбинировавшие с дырками, покидают кристаллическую структуру базы, они становятся свободными электронами в металлическом выводе базы и создают внешний ток базы.

• По мере того, как свободные электроны движутся к BC-переходу с обратным смещением, они уносятся в область коллектора за счет притяжения положительного напряжения питания коллектора.

• Свободные электроны проходят через область коллектора во внешнюю цепь, а затем вместе с током базы возвращаются в область эмиттера.

Основные операции с биполярным транзистором

Ток транзистора

Рис. 5: Ток транзистора

• Стрелка на эмиттере внутри символов транзистора указывает направление обычного тока.

• Эти диаграммы показывают, что ток эмиттера ( I _E ) представляет собой сумму тока коллектора ( I _C ) и тока базы ( I _B

  5 901), выраженную:

BJT Characteristics and Parameters

DC Beta ( β _DC ) and DC Alpha (α _DC )

• β _DC is usually designated as эквивалентный гибридный ( h ) параметр, h _FE , в паспортах транзисторов: β _DC = h _FE .

• Коэффициент постоянного тока I _C к DC I _E является DC альфа (α _DC ). Альфа — менее используемый параметр, чем бета, в транзисторных схемах.

Характеристики и параметры биполярного транзистора

Модель транзистора постоянного тока

: Транзисторные токи и напряжения

В _BE : Напряжение постоянного тока на базе относительно эмиттера

В _CB : Напряжение постоянного тока на коллекторе относительно базы

В _C E 9 0 к эмиттеру

• Хотя V _BE может достигать 0,9 В в реальном транзисторе и зависит от тока, 0,7 В используется для упрощения анализа основных понятий.

• Характеристика перехода база-эмиттер такая же, как и у нормального диода.

• Поскольку эмиттер находится на земле (0 В), по закону напряжения Кирхгофа напряжение на R _B равно

• По закону Ома, В . Подставляя V _RB и решая I _B ,

• Напряжение на коллекторе относительно заземленного эмиттера равно

• С Р _C , V _{C E} может быть написан как

• . Напряжение на соединении с коллекционером-базой с обратным смещением составляет

Характеристики BJT и параметры

Collector Curve.

И V _BB , и V _CC являются регулируемыми источниками напряжения. Предполагается, что V _BB выдает определенное значение I _B , а V _CC равно нулю. Таким образом, и переход база-эмиттер, и переход база-коллектор смещены в прямом направлении, поскольку на базе примерно 0,7 В, а на эмиттере и коллекторе 0 В. 0003

I _B проходит через переход база-эмиттер из-за низкого импеданса на землю и, следовательно, I _C равен нулю -смещенный, транзистор находится в рабочей области насыщения . Насыщенность — это состояние BJT, в котором I _C достигло максимума и не зависит от I _B .

• Когда V _CE превышает 0,7 В, переход база-коллектор становится смещенным в обратном направлении, и транзистор переходит в активную или линейную область работы.

  • I _C очень незначительно увеличивается для данного I _B по мере увеличения V _CE из-за расширения области обеднения база-коллектор. Это вызывает небольшое увеличение β _DC .

  • Это участок между точками B и C на рис. 9. I _C в этой части определяется только I _C =β _DC I _B .

• При достижении V _CE достаточно высокого напряжения переход база-коллектор переходит в пробой ; и I _C быстро увеличивается, что показано на участке справа от точки C. В этой области никогда не следует использовать транзистор.

• Семейство кривых получается, когда I _C по сравнению с V _CE построен для значений I _B . Когда I _B =0, транзистор находится в области отсечки . Отсечка — это непроводящее состояние транзистора.

Характеристики и параметры BJT

Отсечка

• Когда I _B =0, транзистор находится в области отсечки своей работы. Это показано на рис. 10 с открытым выводом базы, таким образом, I _B =0.

• Существует очень небольшой ток утечки коллектора, I _CEO , в основном из-за термически изготовленных носителей.

• I _CEO обычно игнорируется при анализе схемы, так что V _CE = V _CC .

• Переходы база-эмиттер и база-коллектор имеют обратное смещение. Нижний индекс CEO представляет коллектор-эмиттер с открытой базой.

Рисунок 10: Характеристики и параметры отсечки

BJT

Насыщенность

• Когда переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении и I _B увеличивается, I _C также увеличивается, а V _CE уменьшается в результате большего падения на R _C .

• Когда V _CE достигает своего значения насыщения, V _CE(sat) , переход база-коллектор становится смещенным в прямом направлении, и I _C больше не может увеличиваться. В точке насыщения I _C =β _DC I _B больше не действует.

• В _СЕ(сб) для транзистора встречается где-то ниже колена коллекторной кривой и обычно составляет всего несколько десятых вольта.

• Переходы база-эмиттер и база-коллектор смещены в прямом направлении.

Рисунок 11: Характеристики и параметры насыщения

BJT

Линия нагрузки постоянного тока

Рисунок 12: Линия нагрузки постоянного тока на семействе кривых характеристик коллектора

• Нижняя часть грузовой марки находится в идеальной точке отсечки, где I _C =0 и V _CE =V _CC . Верхняя часть линии нагрузки находится в точке насыщения, где I _C = I _{C(насыщение)} и V _CE = V _{CE(насыщение)} .

• Между отсечкой и насыщением по линии нагрузки находится активная область работы транзистора.

BJT Характеристики и параметры

Подробнее о β _DC

• β _DC зависит как от I _C , так и от температуры.

• Поддержание постоянной температуры перехода и увеличение I _C приводит к увеличению β _DC до максимума.

• Дальнейшее увеличение I _C выше максимальной точки приводит к уменьшению β _DC .

• Если I _C поддерживается постоянным, а температура изменяется, β _DC изменяется напрямую с температурой. Если температура повышается, β _DC повышается, и наоборот.

Рисунок 13: Изменение постоянного бета в зависимости от тока коллектора для нескольких температур

• В технических характеристиках транзистора обычно указывается β _DC (h _FE ) при определенных значениях I _C . Даже при фиксированных I _C и температуре β _DC варьируется от одного устройства к другому для данного транзистора из-за неизбежных несоответствий в производстве.

• Значение β _DC , указанное для определенного I _C , обычно является минимальным значением, β _DC(min) , хотя иногда указываются максимальные и типичные значения.

Характеристики и параметры BJT

Максимальные рейтинги транзисторов

Если I _C — максимальный, V _CE можно рассчитать

AMPLIFIER

495755555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555.. BJT AMPLIFIE равно I _B , умноженному на коэффициент усиления по току, β.

• I _B очень мал по сравнению с I _C и I _E . Из-за этого

Рисунок 14: Базовая схема транзисторного усилителя

• I _b , I _c и I _e представляют собой токи транзистора переменного тока. V _b , V _c и V _e представляют собой напряжения переменного тока от выводов транзистора к земле.

• AC V _в производит AC I _B , что приводит к гораздо большему AC I _C .

• Преобразователь переменного тока I _C создает переменное напряжение на резисторе R _C , создавая усиленное, но инвертированное воспроизведение входного переменного напряжения в активной области работы.

• Переход база-эмиттер с прямым смещением имеет очень низкое сопротивление сигналу переменного тока. Это внутреннее сопротивление эмиттера переменного тока (r’ _e ) появляется в серии с R _B . Базовое напряжение переменного тока составляет
  

• Напряжение коллектора переменного тока, В _c , равно падению напряжения переменного тока на R _C : .
  
• Поскольку напряжение коллектора переменного тока равно .
  
• V _B можно считать входным напряжением транзистора переменного тока, где V _B = V _S -I _B R _B
  -I _B R _B
  .
• В _c можно считать транзистором переменного выходного напряжения.
  
• Так как коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению, то отношение В _c к В _b — коэффициент усиления по переменному напряжению,

  A

  4 v _{, транзистор.}

• Замена I _e R _C вместо V _c и I _e r’e вместо V _b ,

BJT как переключатель

Рис. 15: Переключение идеального транзистора

• На рис.