Как называют средний слой у биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой трехвыводной полупроводниковый пробор с тремя чередующимися слоями полупроводника разного вида проводимости, на границе раздела которых образуется два р-n перехода. В современной электронике биполярные транзисторы уже практически не используются как силовые ключевые элементы. Причиной этого является низкое быстродействие, в сравнении с MOSFET-транзисторами, сравнительно большее энерговыделение, большие мощности управления, сложности параллельного включения и т.д. Поэтому в данной работе биполярные транзисторы будут рассматриваться с целью использования в качестве функциональных элементов (систем обратной связи, усилительных каскадов и т.д.).

Биполярные транзисторы имеют два основных типа структуры:

Достаточно подробно про внутреннюю структуру транзисторов изложено в [Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. Лань. 2002. 479 с.]. Резюмируя можно сказать, что быстродействие n-p-n транзистора существенно больше быстродействия p-n-p структуры. По этой, а также еще по нескольким причинам n-p-n транзисторов по номенклатуре существенно больше, чем p-n-p транзисторов. Вот такая ассиметрия.

Области использования биполярных транзисторов:

• в линейных стабилизаторах напряжения;
• в усилительных каскадах электронных схем;
• в генераторных устройствах;
• в качестве ключевого элемента;
• в качестве элемента логических схем;
• и т.д. и еще много где применяется, не зря за него Уильяму Шокли, Джону Бардину и Уолтер Браттейну нобелевскую премию дали.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода – эмиттерный и коллекторный. База у переходов общая. Биполярный транзистор управляется током.

Условное обозначение биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p структур показано на рисунке BJT.1.

Классификация биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы условно подразделяются на различные типы в соответствии со следующими измерениями параметров:

• рабочая частота;
• рассеиваемая мощность;
• структура (обычный транзистор или составной транзистор Дарлингтона);
• и разумеется тип полупроводниковой структуры – n-p-n и p-n-p.

Основные схемы включения биполярного транзистора

Мы не будем вдаваться в подробности внутренней кухни транзистора в сложные хитросплетения взаимодействия мужественных электронов и женственных дырок. Просто рассмотрим транзистор как маленький черный ящик с тремя ножками. Существует три основных способа включения трех ножек транзистора:

• схема с общим эмиттером;
• схема с общей базой;
• эмиттерный повторитель.

Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером – самая распространённая схема включения биполярного транзистора (рисунок BJT.3). Обеспечивает усиление сигнала, как по напряжению, так и по току. Обеспечивает максимальное усиление по мощности среди всех прочих схем включения биполярного транзистора. В данной схеме протекание тока по цепи база-эмиттер I_B (часто просто называемый ток базы) приводит к протеканию тока в цепи коллектор-эмиттер I_C (называемый обычно просто током коллектора). Коэффициент пропорциональности между током базы и током коллектора называется коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером h_FE:

Еще h_FE часто обозначается как β или в советской литературе как h21э.

Важным преимуществом схемы является возможность использования только одного источника питания. Кроме этого, при проектировании схем важно учитывать то, что выходное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема с общей базой

Значительно менее распространённое включение биполярного транзистора (рисунок BJT.4).

Обеспечивает усиление сигнала, но только по напряжению. Ток практически не изменяется или немного уменьшается. Ток в цепи коллектора связан с током эмиттера I_E коэффициентом передачи ток α близким к единице, но меньшим её:

Коэффициент передачи тока рассчитывается исходя из соотношения:

1

где h_FE – все тот же коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером.

Фактически силовой ток течет по цепи коллектор-эмиттер, то есть ток нагрузки полностью втекает в управляющий источник E. Это определяет малое входное сопротивление схемы R_in, фактически равное дифференциального сопротивления эмиттерного перехода

V_BE – напряжение база-эмиттер

Соответственно ток базы мал и равен:

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель потому и называется повторителем, что он не усиливает входной сигнал по напряжению, а «повторяет» его. Или почти повторяет. В схеме сопротивление нагрузки включено так, что напряжение не нем вычитается из приложенного напряжения, чем реализуется отрицательная обратная связь. Схема включения биполярного транзистора в режиме эмиттерного повторителя представлена на рисунке BJT.5.

Усиление достигается только по току:

Соответственно входное сопротивление повторителя равно:

h_FE — коэффициент усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером;

R_load – сопротивление нагрузки.

В реальности выходное напряжение отстает от входного на величину падения напряжения на переходе «база-эмиттер» (приблизительно равное 0,6 В):

Вольт-амперная характеристика биполярного транзистора

Форма вольт-амперных характеристик биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером представлена на рисунке BJT.6. Поскольку в схемах включения транзистора присутствуют две цепи (два контура) – цепь управления и цепь нагрузки то имеют место две характеристики — входная и выходная. Входная характеристика (рисунок BJT.6, а) представляет собой зависимость тока базы от напряжения на переходе «база-эмиттер» при различных напряжениях «коллектор-эмиттер». При увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» характеристика смещается вправо – ток базы уменьшается при том же значении напряжения «база-эмиттер». Выходная характеристика представляет собой зависимость тока коллектора от напряжения «коллектор-эмиттер» при различных токах базы, что образует семейство кривых. С ростом тока базы возрастает и ток коллектора пропорционально значению h_FE (справедливо для малых сигналов). При постоянном токе базы ток коллектора несколько возрастает при увеличении напряжения «коллектор-эмиттер» (рисунок BJT.6, б).

Основные параметры биполярного транзистора

1. Максимальное напряжение коллектор-эмиттер (Collector-Emitter Voltage) V_CEO – максимально допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора. Один из наиболее важных параметров транзистора.
2. Максимальное напряжение коллектор-база (Collector-Base Voltage) V_CBO – максимально допустимое напряжение между коллектором и базой транзистора. Это напряжение несколько выше (на 20-30%) чем максимальное напряжение коллектор-эмиттер.
3. Максимальный постоянный ток коллектора (Collector Current — Continuous) I_C – максимальная величина тока через коллекторный переход в стационарном режиме.
4. Максимальное обратное напряжение эмиттер-база (Emitter-Base Voltage) V_EBO — максимально допустимое напряжение между управляющего перехода база-эмиттер транзистора.
5. Ток утечки коллекторного перехода (Collector Cut-Off Current) I_CEX – ток, протекающий через закрытый коллекторный переход под действием приложенного обратного напряжения.
6. Ток утечки эмиттерного перехода (Base Cut-Off Current) I_BL – ток, протекающий через эмиттерный переход под действием приложенного обратного напряжения. При этом к коллекторному переходу также приложено напряжение.
7. Коэффициент передачи тока (DC Current Gain) h_FE – усилительная характеристика транзистора. Коэффициент равен отношению следствия — тока коллекторного перехода к причине — току эмиттерного перехода.
8. Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером (Collector-Emitter Saturation Voltage) V_CE(sat) — минимальное напряжение между коллектором и эмиттером в открытом состоянии (в «совсем открытом» состоянии при большом токе базы). Обычно составляет 0,2-0,4 В.
9. Напряжение насыщения эмиттерного перехода (Base-Emitter Saturation Voltage) V_BE(sat) – напряжение между базой и эмиттером при заданном токе базы.
10. Максимальная частота работы транзистора (Current Gain — Bandwidth Product) f_T – при этой частоте транзистор уже не усиливает сигнал, и коэффициент передачи тока становится равным единице.
11. Выходная емкость, емкость коллектор-база (Output Capacitance, Collector-Base Capacitance) C_CBO – емкость коллекторного перехода.
12. Входная емкость, емкость эмиттер-база (Input Capacitance, Emitter-Base Capacitance) C_EBO – емкость эмиттерного перехода.
13. Уровень шумов (Noise Figure) NF — уровень собственных шумов транзистора.
14. Время задержки включения (Delay Time) t_d — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении.
15. Время задержки выключения (Storage Time) t_s — время задержки начала переходных процессов в выходной цепи транзистора при выключении.
16. Время включения (Rise Time) t_r — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время нарастания тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
17. Время включения (Fall Time) t_f — время переходных процессов в выходной цепи транзистора при включении (время спада тока). Указывается при конкретных условиях коммутации.
18. Максимально выводимая тепловая мощность (Total Device Dissipation) P_D – максимальное количество энергии, которую можно отвести от транзистора, выполненного в том или ином корпусе.
19. Тепловое сопротивление кристалл-корпус (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJC – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и его корпусом.
20. Тепловое сопротивление кристалл-воздух (Thermal Resistance, Junction to Case) R_θJA – тепловое сопротивление между полупроводниковым кристаллом транзистора и воздушной средой при условии свободной конвекции.
21. Время включения, время выключения, времена задержки включения выключения – описывают динамические свойства транзистора при тех или иных конкретных условиях.

Комплементарность транзисторов

В ряде типовых схемотехнических решений необходимо одновременное использование транзисторов n-p-n и p-n-p структуры имеющих практически идентичные параметры. Такие транзисторы называют комплементарными. Ниже приведена таблица наиболее широко используемых пар комплементарных транзисторов.

Таблица BJT.1 — Некоторые комплементарные пары биполярных транзисторов

n-p-n	p-n-p
КТ3102	КТ3107
2N3904	2N3906
BC237 (238,239)	BC307 (308,309)
2N4401	2N4403
2N2222A	2N2907 (* почти)
2N6016	2N6015
2N6014	2N6013
BC556 (557, 558, 559, 560)	BC546 (547,548, 549, 550)

Поиск пар комплементарных транзисторов можно осуществлять на ресурсе [http://www.semicon-data.com/transistor/tc/2n/tc_2n_208.html].

Измерение коэффициента усиления по току

Транзисторы в пределах каждого конкретного типа имеют значительный разброс по коэффициенту усиления тока. В случае необходимости точного измерения коэффициента усиления по току использую тестеры с опцией измерения h_FE.

Составной транзистор

Для увеличения коэффициента усиления используется схема включения двух и более биполярных транзисторов. Существует две разновидности схем составных транзисторов: схема Дарлингтона и схема Шиклаи (рисунок BJT.7). Каждая из представленных схем включает управляющий транзистор и силовой, через который протекает основная доля тока нагрузки.

В схемы может быть введен дополнительный резистор для изменения рабочих характеристик составного транзистора и улучшения динамических свойств схемы.

Функционально в схеме Дарлингтона резистор обеспечивает протекание постоянного тока через эмиттер управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового транзистора слабо зависит от тока базы.

Ниже представлены расчеты коэффициента передачи тока составного транзистора для схем Дарлингтона и Шиклаи.

Расчет схемы Дарлингтона

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип;
2. Определяем по справочному листу коэффициент передачи тока h_FE2 выбранного силового транзистора в соответствии с выбранным током коллектора;
3. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
4. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора I_B2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
5. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток эмиттера первого транзистора:

Проводим ряд преобразований:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора фактически равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Расчет схемы Шиклаи

1. Выбираем ток коллектора силового транзистора I_C2 и соответственно этому выбираем его конкретный тип.
2. В соответствии с током коллектора I_C2 и коэффициентом передачи тока выбранного силового транзистора h_FE2 определяем рабочий ток базы силового транзистора I_B2:
3. В соответствии с рабочим током базы силового транзистора IB2 по справочному листу определяем напряжение насыщения база-эмиттер V_BE2.
4. Рассчитываем интегральный коэффициент передачи тока составного силового транзистора Дарлингтона I_C2/I_B1.

Выведем выражение для расчета:

Сопротивление резистора следует из выражения:

Ток коллектора первого транзистора:

h_FE1 — коэффициент передачи тока первого транзистора;

h_FE2 — коэффициент передачи тока силового (второго) транзистора;

V_BE2 — напряжение насыщения база-эмиттер транзистора;

R – сопротивление резистора;

I_C2 – ток коллектора второго транзистора (выходной ток составного транзистора);

I_B1 – ток базы первого транзистора (входной ток составного транзистора).

Полученное соотношение определяет коэффициент передачи тока составного силового транзистора Шиклаи. При больших значениях сопротивления R (или при его отсутствии в схеме) выражение упрощается:

Из выражения видно, что в коэффициент передачи тока составного транзистора равен произведению коэффициентов передачи тока дискретных транзисторов его составляющих.

Функционально в схеме Шиклаи резистор обеспечивает протекание постоянного тока через коллектор управляющего транзистора, поскольку напряжение база-эмиттер силового p-n-p транзистора слабо зависит от тока базы.

Секреты среднего слоя: разоблачение названий биполярных транзисторов

В мире электроники биполярные транзисторы занимают особое место. Они являются одним из основных элементов полупроводниковых устройств и широко применяются в различных областях, начиная от радиоэлектроники и заканчивая микропроцессорами. Биполярный транзистор состоит из трех слоев: эмиттера, базы и коллектора. Однако, существует интересный вопрос: как называется средний слой у биполярных транзисторов?

Ответ на вопрос

Средний слой у биполярных транзисторов называется «база». Это один из ключевых элементов, который играет важную роль в работе транзистора. База обеспечивает управление потоком электронов или дырок между эмиттером и коллектором. В зависимости от типа биполярного транзистора, база может быть п-типа или n-типа.

Историческая справка

Термин «база» был введен в электронике в начале XX века и происходит от английского слова «base», что означает «основа» или «фундамент». Впервые биполярный транзистор был изобретен Уильямом Шокли в 1947 году, и с тех пор его структура и названия слоев остались практически неизменными.

Виды базы

Существует два основных вида базы у биполярных транзисторов: п-типа (p-base) и n-типа (n-base). В п-типе база представляет собой полупроводник с положительным типом проводимости, а в n-типе — с отрицательным типом проводимости.

Примеры применения базы

1. Усилители: База позволяет контролировать поток электронов или дырок, что позволяет усилить сигнал и получить требуемый выходной сигнал.
2. Логические элементы: База также используется в логических элементах, где она играет роль ключа, открывая или закрывая цепь и позволяя передавать или блокировать сигналы.

Советы по выбору биполярных транзисторов

1. Учитывайте тип базы: В зависимости от требуемых характеристик и функциональности, выбирайте транзистор с нужным типом базы.
2. Обратите внимание на параметры: При выборе биполярного транзистора учитывайте такие параметры, как максимальное рабочее напряжение, максимальный ток коллектора и коэффициент усиления.
3. Изучите документацию: Перед использованием биполярного транзистора важно изучить его технические характеристики и рекомендации по применению, чтобы правильно подобрать его для конкретной задачи.

Может быть интересно: Продажный волшебник: искусство нейминга для менеджера по продажам

В заключение

Средний слой у биполярных транзисторов, или база, играет важную роль в работе этих устройств. Он обеспечивает контроль потока электронов или дырок и позволяет использовать транзисторы в различных приложениях, от усилителей до логических элементов. При выборе биполярного транзистора важно учитывать тип базы, параметры и изучить документацию, чтобы правильно подобрать его для конкретной задачи.

Какой слой в биполярном транзисторе имеет наименьшую толщину

Классификация биполярных транзисторов производится по следующим признакам:

• 1) по типу электропроводности внешних областей:
  • — р-п-р — дырочная электропроводность;
  • — п-р-п — электронная электропроводность;
  • — германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые;
  • — точечные — линейные размеры, определяющие площадь (6) контактирующих поверхностей электронно-дырочного перехода, намного меньше толщины контактирующих поверхностей (х) (рис. 3.8); (линейными размерами, определяющими площадь контактирующих поверхностей, являются ширина (И) и длина (L) сторон прямоугольника контактирующей плоскости или диаметра окружности (D) контактирующей плоскости);
  • — плоскостные — линейные размеры, определяющие площадь (6) контактирующих поверхностей электронно-дырочного перехода, намного больше толщины контактирующих поверхностей полупроводников (х) (рис. 3.9);

  Рис. 3.8. Устройство точечного транзистора:

  1 — металлический держатель (основание); 2 — пластина кристалла я-типа (база); 3 — острие контактной пружины из вольфрама, покрытое слоем акцепторной примеси (индий); 4 — сформированный слой /ьтипа (база и эмиттер); 5 — электронно-дырочный переход р-п-р-типа (эмиттерный и коллекторный)

  

  Рис. 3.9. Устройство плоскостного транзистора

  • 4) по технологии и методу изготовления /?-я-переходов:
    • — сплавные — р-п-переходы получены вплавлением примесей с двух сторон в кристалл базы (см. рис. 3.2, а);
    • — диффузионные — р-п-переходы получены введением примесей в полупроводниковый материал с помощью двух процессов диффузии. Изготавливаются на основе Ge (в основном р-п-р-типа) и Si (в основном п-р-п-типа). Исходную полупроводниковую пластину легируют донорной или акцепторной примесью, создавая необходимую электропроводность (р- или п-типа) в данном объеме основного кристалла, а затем одновременно или последовательно вводят в нее два вида примеси (донорную и акцепторную), атомы которых имеют различные скорости диффузии (например, для Ge — In, Ga и Sb, для Si — В, As и Р). Установлено, что коэффициент диффузии, следовательно и скорость диффузии, зависят от вида диффундирующей примеси. Скорость диффузии донорной примеси в германии выше, чем скорость диффузии акцепторной примеси, а в кремнии наоборот, акцепторные примеси диффундируют быстрее, чем донорные. Различие в скорости диффузии акцепторных и донорных примесей в различных материалах дает возможность осуществлять одновременную диффузию нескольких примесей, получая в толще полупроводника многослойные структуры с /(-«-переходами. Легирующие примеси вводятся в виде химических веществ, имеющих газообразное или жидкое состояние и не вступающих в химические реакции с основным кристаллом. Примеси вводятся в замкнутом пространстве путем контакта диф- фузанта (жидкие, твердые или газообразные) с полупроводниковым материалом с возможным подогревом. Суть метода состоит в том, что легирующие примеси вводятся направленно на определенный участок основной пластины полупроводника в виде пара или жидкости, которые интенсивно внедряются в кристаллическую структуру основной пластины полупроводника на определенную глубину, создавая необходимую электропроводность (р— или «-типа) в данном объеме основного кристалла. Тип электропроводности зависит от вида легирующей примеси — донорной или акцепторной. В результате получают базовую и эмиттерную области с переменной концентрацией примесей, которые с основной полупроводниковой пластиной, являющейся коллекторной областью транзистора, образуют два />-«-перехода. Неравномерность распределения концентрации легирующих примесей заключается в том, что наибольшая концентрация создается вблизи эмиттерного перехода и уменьшается ближе к коллекторному переходу, а максимальное значение достигается в середине базовой области (рис. 3.10). Неравномерная концентрация носителей зарядов в базовой области создает в ней электрическое поле (Е_ь), подобно тому, как это происходит в электронно-дырочном переходе. Вектор напряженности поля направлен от эмиттера к коллектору (см. рис. 3.10). Под действием этого поля движение неосновных носителей заряда, инжектированных в базу из эмиттера, носит не столько диффузионный характер, сколько дрейфовый, под действием внутреннего поля базовой области; поэтому такие транзисторы принято называть дрейфовыми;

    — эпитаксиальные — р-п-переходы получены методом эпитаксиального наращивания тонких высокоомных монокристал- лических слоев (пленок) вещества на низкоомную подложку (кристалл), которые служат как бы ее естественным продолжением, так как кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.

    

    Рис. 3.10. Диаграмма изменения концентрации примесей в диффузионном транзисторе

    Эпитаксия позволяет получить тонкие (1 — 10 мкм) однородные монокристаллические слои (эпитаксиальные слои) любого типа проводимости, электропроводности и удельного электрического сопротивления, какие невозможно создать иным способом. Такие

    

    Рис. 3.11. Эпитаксиальный транзистор

    пленки называют эпитаксиальными. Обычно эпитаксиальный слой получают выращиванием из газовой среды или раствора (расплава) вакуумным осаждением. Для изготовления биполярных эпитаксиальных транзисторов (рис. 3.11) чаще всего берут пластину кремния 1 (п + —типа) (подложка) с удельным сопротивлением 0,01 Ом-см, на ней наращивают эпитаксиальный слой 2 (я-типа) толщиной 1 — 10 мкм с удельным сопротивлением 0,1—1,0 Ом-см, который служит продолжением подложки — коллектора.

    Базовый слой 3 (/?-типа) не более 1 мкм и эмиттерный слой 4 (я-типа) также создаются методом эпитаксии. Эмиттерный слой создают из менее легированного полупроводникового материала, чем материал базы. Электрический переход между слоями п- и я + -типа создает омический контакт подложки с базовой структурой и имеет линейную вольт-амперную характеристику. Омические контакты применяются для электрических выводов от областей полупроводников, образующих /?-я-переходы, без большого переходного сопротивления;

    — планарные (плоские) /ья-переходы получены методом фотолитографии — плоские контактирующие поверхности создаются по шаблону-плану травлением и диффузионным напылением на вытравленные участки. При планарной технологии процесс диффузии осуществляется многократно с целью последовательного образования слоев с различным типом электропроводности. Одновременно на поверхности полупроводникового кристалла выращивается пленка окисла. Электронно-дырочные переходы при планарной технологии создаются методом локальной диффузии или эпитаксии. Рассмотрим пример: основу планарного биполярного транзистора п-р-п-структуры (рис. 3.12) составляет хорошо отшлифованная пластина монокристаллического легированного фосфором кремния, имеющая переменную концентрацию примесей п-п + (рис. 3.12, а).

    

    Рис. 3.12. Структура планарного транзистора

    Структура «-типа выполняет роль высокоомного коллектора, а общая структура «-« + -типа является омическим контактным выводом. После химической очистки пластина покрывается плотной пленкой двуокиси кремния Si0₂ для защиты от воздействия внешней среды. В пленке методом фотолитографии окисла вытравливаются до слоя «-типа окна по форме необходимой конфигурации для создания следующего слоя. На исходной пластине одновременно можно создавать несколько биполярных транзисторов по планарной технологии 1 (рис. 3.12, а). Через вскрытые окна локально воздействуют методом диффузии акцепторной примесью, например парами борной кислоты, создавая в окне слой с электропроводностью р-типа — базу транзисторной структуры. Созданную «-р-структу- ру вновь покрывают защитной пленкой двуокиси кремния Si0₂ и, вскрывая новые окна, проводят локальную диффузию донорной примесью например пятиокисью фосфора, для создания эмиттерно- го слоя «-типа; на рис. 3.12, б, приведена сформированная структура базы и эмиттера для одного биполярного транзистора. На контактных соединениях базового слоя с эмиттерным создается эмиттерный переход, а в контактном соединении базового слоя с коллекторным слоем — коллекторный переход. Дальнейшее вскрытие базового и эмиттерного слоев предназначено для создания выводов от них путем напыления алюминия и подсоединения к нему отводящих проводников (Б и Э), а вывод коллектора (К) создается от пластины « + -типа. На рис. 3.12, виг, показаны разрезы планарной структуры транзистора;

    

    Рис. 3.13. Структура мезотранзистора

    • — мезодиффузионные, мезосплавные, мезоэпитаксильные — получены после предварительной обработки поверхности полупроводника, в результате которой образуются небольшие столбики (рис. 3.13). Эти столбики получили название мезо (от исп. mesa — стол, плато, выступ). На них формируются различными методами полупроводниковые переходы;
    • — конверсионные — ^-«-переходы созданы изменением (конверсией) типа электропроводности исходной полупроводниковой пластины в результате термической обработки и введением в нее примеси с помощью вплавления и диффузии, т.е. изготавливаются по диффузионно-сплавной технологии. Исходным материалом служит пластина полупроводника, содержащая донорную и акцепторную примеси, но одна из них преобладает, поэтому полупроводник имеет определенный тип электропроводности (например, р-типа) (рис. 3.14). На поверхность пластины накладывают кусочек металла 1 (сплава), который является навеской и используется в качестве примеси. Всю эту структуру нагревают до расплавления и в результате преобладающая примесь полупроводника переходит в область навески с одной и другой стороны из приграничной зоны 5 в навеску 1. Приграничная зона 5, оставшаяся без преобладающей примеси, приобретает другой тип электропроводности (л-типа на рис. 3.14), а навески приобретают структуру р-типа (7 на рис. 3.14) и служат в качестве эмиттерной и коллекторной областей, а между ними образуется тонкий слой базовой области.

    Рис. 3.14. Структура конверсионного транзистора

    По технологии и методу изготовления />-л-переходов биполярные транзисторы могут изготавливаться по смешанной технологии, при которой отдельные структуры транзистора изготавливаются разными методами и технологическими процессами. В результате такие транзисторы классифицируются как сплавно-диффузионные, ме- зодиффузионные, планарно-эпитаксиальные и т.д.

    4.2. Особенности структур биполярных транзисторов

    Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключаются в том, что первые содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединять транзисторы между собой и с другими элементами микросхемы пленочными металлическими проводниками, формируемыми на той же поверхности. Кроме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование – площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции. Конструкция и технология изготовления транзисторов должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов, конденсаторов и т. д.) на основе аналогичных полупроводниковых слоев, используемых при формировании эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. В этом состоит важное требование конструктивно-технологической совместимости элементов полупроводниковых микросхем.

    Конструкции биполярных транзисторов различаются, прежде всего, способами их изоляции. В первых микросхемах наибольшее распространение получили эпитаксиально-планарные транзисторы с изоляцией р-п переходами. Структура эпитаксиально-планарного транзистора показана на рис. 4.1, а. Транзистор выполнен на высокоомной подложке p-типа с удельным сопротивлением 5 . 10 Ом-см и толщиной 200 . 300 мкм в эпитаксиальном слое n-типа (удельное сопротивление 0,5. 1 Ом-см, толщина = 8 . 15 мкм). Локальной диффузией донорных примесей (мышьяка или сурьмы), имеющих малый коэффициент диффузии по сравнению с бором и фосфором, в подложке перед наращиванием эпитаксиального слоя 2 создают скрытый слой 3 n + -типа с низким удельным сопротивлением. Хотя первоначально скрытый слой формируют в подложке, при дальнейших высокотемпературных операциях (эпитаксии, окислении, диффузии примесей) он расширяется в сторону, как подложки, так и эпитаксиального слоя. Чтобы исключить чрезмерное распространение доноров из скрытого слоя в эпитаксиальный, т. е. смыкание скрытого слоя с базовым, для него выбирают донорные примеси с малым коэффициентом диффузии, например мышьяк .

    Диффузией бора через маску из диоксида кремния на глубину, превышающую толщину эпитаксиального слоя, формируют изолирующую область 4 p+-типа, окружающую с боковых сторон (рис. 3.1, б – вид сверху) коллекторную область 2 n-типа . Базовую область 5 p-типа получают следующей локальной диффузией бора на глубину 2 . 3 мкм (это глубина залегания металлургической границы коллекторного перехода). Удельное поверхностное сопротивление базового слоя 5 (до проведения эмиттерной диффузии) 100 . 200 Ом/. На рис. 3.1, б граница базы одновременно является границей коллекторного р-п перехода и определяет его площадь. Последняя локальная диффузия используется для формирования эмиттерной области 6 n+-типа и коллекторной контактной области 7. Донорной примесью в этом случае обычно служит фосфор, обладающий повышенным коэффициентом диффузии и повышенной растворимостью в кремнии. Глубина залегания эмиттерного перехода 1,5 . 2 мкм, удельное поверхностное сопротивление эмиттерного слоя 2 . 3 Ом/.

    В пленке диоксида кремния 8 (толщина 0,5 . 1 мкм), покрывающей поверхность кристалла, создают контактные отверстия 9, через которые напылением пленки алюминия формируют контакты к эмиттеру, базе, коллектору и подложке. Одновременно создают внутрисхемные проводники 10, соединяющие элементы микросхемы. Коллекторная контактная область 7 с высокой концентрацией доноров необходима потому, что при напылении пленки алюминия на слаболегированный слой 2 n-типа получается не низкоомный омический, а выпрямляющий контакт, что недопустимо.

    В эпитаксиально-планарном транзисторе боковые поверхности 11 изолирующего р-п перехода являются границей коллекторной области 2 n-типа и изолирующей области 4 p + -типа, а нижняя поверхность 12 – границей области 2 и скрытого слоя 3 с подложкой. К подложке в периферийной части кристалла микросхемы создают омический контакт (на рисунке не показан). При использовании микросхемы на этот контакт подают напряжение, при котором изолирующий переход всегда смещен в обратном направлении. Поскольку обратный ток изолирующего перехода мал, обеспечивается удовлетворительная изоляция транзистора от подложки и других элементов кристалла микросхемы. Области, окруженные со всех сторон изолирующим переходом, называют карманами. В них размещают не только биполярные транзисторы, но и другие элементы микросхемы. Обычно в каждом кармане формируют один элемент, но в некоторых случаях размещают несколько, например, биполярных транзисторов, у которых согласно принципиальной электрической схеме соединены коллекторы.

    Основное достоинство метода изоляции р-п переходом – простота технологии формирования изолирующих областей p+-типа. Для их создания применяют такие же технологические процессы (фотолитографию, диффузию примесей), что и для получения основных областей транзистора – базовой и эмиттерной. Однако изоляция р-п переходом не является совершенной: обратный ток этого перехода резко увеличивается при повышении температуры и под воздействием ионизирующих облучений. Изолирующий переход вносит барьерную емкость, которая снижает граничную частоту аналоговых микросхем и увеличивает задержку переключения импульсных схем. Кроме того, изолирующие области p+-типа (рис. 4.1, б) занимают значительную площадь кристалла (по сравнению с площадью основных областей транзистора), так как их ширина должна быть больше удвоенной толщины эпитаксиального слоя . Это условие связано с изотропностью процесса диффузии: примеси диффундируют не только в глубь эпитаксиального слоя, но и в боковом направлении – под маску. Отметим также, что в структуре эпитаксиально-планарного транзистора большую часть площади занимают «лишние» с точки зрения его работы пассивные области базы 13 и коллектора 14, не занятые контактами (см. рис. 4.1, б). По этим причинам на основе эпитаксиально-планарных транзисторов были разработаны и выпускаются промышленностью только микросхемы малой и средней степеней интеграции.

    Важной конструктивной особенностью эпитаксиально-планарных транзисторов является скрытый слой 3 n+-типа (см. рис. 4.1, а), предназначенный главным образом для уменьшения объемного сопротивления коллекторной области и напряжения насыщения

    

    . Низкоомный скрытый слой шунтирует расположенный над ним более высокоомный коллекторный слой n-типа и в десятки раз уменьшает объемное сопротивление коллекторной области между коллекторным переходом и коллекторной контактной областью 7.

    Выходные характеристики в схеме с общим эмиттером (ОЭ) в диапазоне малых напряжений для транзисторов без скрытого слоя (1) и со скрытым слоем (2) приведены на рис. 4.2. Видно, что скрытый слой влияет на форму выходной характеристики только в режиме насыщения (РН), где дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, смещенного в прямом направлении, невелико. Напряжение насыщения при заданном коллекторном токе насыщения изменяется пропорционально объемному сопротивлению коллекторной области. Чем меньше , тем ниже выходное напряжение низкого уровня тех цифровых микросхем, в которых транзисторы работают в режиме насыщения.

    В структуре транзистора, изолированного р-п переходом, помимо основного n-р-n существует паразитный p-n-р транзистор. Его эмиттер – базовый слой 5 (13) основного транзистора (см. рис. 4.1), база — коллекторная область 2 со скрытым слоем 3, а коллектор – подложка.

    На рис. 4.3, а показана упрощенная структура интегрального n-p-n-транзистора, изолированного р-п переходом. Особенность интегрального транзистора состоит в том, что его структура (с учетом подложки) — четырехслойная: наряду с рабочими эмиттерным и коллекторным переходами имеется третий (паразитный) переход между коллекторным n-слоем и подложкой p-типа . Наличие скрытого n + -слоя (не показанного на рис. 4.3, а) не вносит принципиальных изменений в структуру.

    

    

    Подложку ИС (если она имеет проводимость p-типа) присоединяют к самому отрицательному потенциалу. Поэтому напряжение на переходе «коллектор—подложка» всегда обратное или (в худшем случае) близко к нулю. Следовательно, этот переход можно заменить барьерной емкостью , показанной на рис. 4.3, а.

    Вместе с горизонтальным сопротивлением коллекторного слоя емкость образует RC-цепочку, которая подключена к активной области коллектора. Тогда эквивалентная схема интегрального n-p-n-транзистора имеет такой вид, как показано на рис. 4.3, б.

    Цепочка — шунтирующая коллектор, — главная особенность интегрального n—p—n-транзистора. Эта цепочка, естественно, ухудшает его быстродействие и ограничивает предельную частоту и время переключения.

    Поскольку подложка находится под неизменным потенциалом, ее можно считать заземленной по переменным составляющим. Поэтому, дополняя малосигнальную эквивалентную схему ОБ цепочкой , и пренебрегая сопротивлением , приходим к выводу, что емкость складывается с емкостью , а сопротивление — с внешним сопротивлением . Соответственно эквивалентная постоянная времени запишется следующим образом:

    

    . (7.2)

    Из выражения (7.2) очевидно, что паразитные параметры и ограничивают быстродействие интегрального транзистора в идеальных условиях, когда , , и . В этом случае эквивалентная постоянная времени равна постоянной времени подложки:

    

    (7.3)

    Например, если = 2 пФ и = 100 Ом, получаем = 0,2 нс, соответствующая граничная частота 800 МГц. С учетом параметров , и при наличии внешнего сопротивления эквивалентная постоянная времени возрастает, а граничная частота уменьшается.

    Значение = 100 Ом, использованное в предыдущем примере, характерно для транзисторов без скрытого n + -слоя. При наличии скрытого слоя типичны значения = 10 Ом. Тогда постоянная времени оказывается на порядок меньше и влияние подложки становится мало существенным.

    Соотношение между емкостями и зависит в первую очередь от соотношения площадей соответствующих переходов и концентраций примеси в слоях подложки и коллектора. Обычно = (2-3) .

    Пассивную область базы вместе с лежащими под ней областями коллектора и подложки можно представить как некий паразитный p-n-p-транзистор. На рис. 4.3,а структура такого транзистора обведена штриховой линией, а эквивалентная схема, характеризующая взаимосвязь рабочего n-p-n-транзистора с паразитным, показана на рис. 4.3,б.

    Если n-p-n-транзистор работает в нормальном активном режиме (), то паразитный транзистор находится в режиме отсечки (, см. знаки без скобок). В этом случае коллекторный переход паразитного транзистора представлен емкостью (рис. 4.3,б). Если же n-p-n-транзистор работает в инверсном режиме или в режиме двойной инжекции (), то паразитный p-n-p-транзистор находится в активном режиме (, см. знаки в скобках). При этом в подложку уходит ток = , где – часть базового тока (рис. 4.3,в).

    

    Утечка базового тока в подложку ухудшает параметры транзистора в режиме двойной инжекции. Поэтому транзисторы, предназначенные для работы в таком режиме, специально легируют золотом. Атомы золота играют в кремнии роль ловушек, т.е. способствуют уменьшению времени жизни носителей. Соответственно коэффициент уменьшается до значений менее 0,1, и утечкой тока в подложку можно пренебречь.

    В структуре дискретного эпитаксиально-планарного транзистора отсутствуют изолирующие р+- области, а контактная n+-область и вывод коллектора расположены снизу. Поэтому ряд параметров рассмотренного транзистора хуже, чем у дискретного: выше сопротивление коллекторной области, имеется ток утечки в подложку, ниже граничная частота и быстродействие из-за влияния барьерной емкости изолирующего р-п перехода.

    Биполярные транзисторы являются наиболее сложными элементами биполярных микросхем, так как их структура содержит наибольшее число областей с различным типом проводимости. Другие элементы (диоды, резисторы) создаются одновременно с транзисторами в едином технологическом процессе. Поэтому для них используют аналогичные полупроводниковые области, которые принято называть в соответствии с областями транзистора. Так, на основе базового слоя получают резисторы. Эти элементы также размещают в специальных карманах, т. е. изолируют от подложки тем же способом, что и транзисторы.

    

    Наряду с биполярными транзисторами, изолированными р-п переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией. Основные отличия структуры такого транзистора, представленной на рис. 4.4, от рассмотренной выше (см. рис. 4.1) состоят в том, что транзистор размещают в кармане, изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим слоем диоксида кремния . Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика на много порядков меньше, чем р-п перехода при обратном напряжении. Удельная емкость диэлектрической изоляции меньше, поскольку диэлектрическая проницаемость диоксида кремния приблизительно в 3 раза ниже, чем кремния, а толщина диэлектрического слоя может быть выбрана больше толщины изолирующего р-п перехода.

    Однако биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов и малой степени интеграции. Их достоинством является повышенная радиационная стойкость. У эпитаксиально-планарных транзисторов токи утечки изолирующих р-п переходов резко возрастают при воздействии ионизирующего излучения, вызывающего генерацию большого числа неосновных носителей. Ток утечки диэлектрика при этом остается пренебрежимо малым. Уменьшаются и токи утечки коллекторных р-п переходов, так как основная масса неосновных носителей генерируется за пределами карманов и не может достичь этих переходов.

    Биполярный транзистор

    Биполярный транзистор — представляет собой полупроводниковое устройство с тремя электродами, состоит он из двух p-n переходов, перенос электрических зарядов в них осуществляется двумя видами носителя — это электроны и дырки. Так как устройство имеет 2 p-n перехода то оно получило название «биполярный».

    Он нашел широкое применение в различных радиоэлектронных устройствах предназначенных для генерации, усиления или переключения (к примеру в логических схемах).

    

    Эти три электрода подключаются к последовательным слоям полупроводника с разным типом примесной проводимостью. В зависимости от того как происходит это чередование различают транзисторы npn и pnp типа. Сокращение n — означает negative электронный тип проводимости, а p означает positive дырочный.

    По принципу действия биполярный транзистор отличается от полевого тем что перенос заряда осуществляется носителями сразу двух типов, а именно электронами и дырками. Отсюда и произодит название «биполярный» от слова «би» — «два».

    Электрод,который подключается к слою, расположеного в центре называется «базой», а электроды которые подключаются к внешним слоям называеют «эмиттером» и «коллектором». По типу проводимости эти эмиттерный и коллекторный слои ни чем не отличаются. Но в процессе производства транзисторов с целью улучшения электрических параметров они различимы по степени легирования примесями.

    Эммитер легируется сильно, а коллекторный слабо что способствует росту допустимого напряжения коллектора. Значение пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода нектретично, так как в схемах обычно транзисторы включают с прямосмещенным эмиттерным p-n переходом.

    Так как эмитер легируется сильнее то происхолит более сильную инжекцию неосновных носителей в слой базы. Что способствует в росту коэффициента передачи тока при включении транзистора в схеме с общей базой.

    Площадь коллекорного перехода делается значительно больше эммитерного, в следствии чего достигается лучший приток неосновных носителей из слоя базы и улучшается коэффициенты передачи.

    Толщину базового слоя стараются делать как можно меньше с целью повышения частотных параметров своего рода быстродейтсвия биполярного транзистора. Но есть другая сторона мелали — при снижении толщины слоя базы уменьшается максимальное (предельное) значение напряжения коллекторного перехода. Поэтому значение толщины базы выбирается наиболее оптимальным.

    Принцип действия и устройство биполярного транзистора

    Изначально в транзисторах в основном использовался металлический германий, а сейчас их изготавливают из монокристалического кремния и арсенида галлия, приборы сделаные на основе арсенида галия обладают высоким быстродействием и применяются в схемах СВЧ-усилителей, в быстродействующих логических схемах. Их быстродействие объясняется высокой подвижностью носителей в арсениде галлия.

    Биполярный транзистор имеет 3 полупроводниковых слоя, которые легируются различным образом: базы (Б), эмиттера (Э), коллектора (К). В зависимости от последовательности слоев проводимости транзисторы бывают с проводимостью pnp и с npn.

    • увеличение площади перехода коллектор-база способствует тому что неосновные носители из базы с большей вероятность захватываются коллектором, в рабочем состоянии коллекторный переход включается с обратным смещением;
    • также большая площадь способствует большему отводу тепла в процессе работы;

    

    Эммитерный переход обычно включается в прямом направлении (открыт) а коллекторный в обратном (закрыт).

    Давайте расмотрим работу транзистора типа n-p-n, транзистор типа p-n-p работает точно также только в нем основные носител изаряда не электроны а дырки. В транзисторе npn типа электроны проходят через переход эмитер-база или други словами инжектируются. Доля этих «вновь прибывших» электронов рекомбинирует с дырками — основными носителями заряда базы. Но в следствии того что база у нас тонкая и слаболегированая т.е. мало дырок то основнная масса электроннов переходит (диффундирует) в облать коллектора этот переход обусловлен тем что электроны долго рекомбинируют с дырками в базе, также электрическое поле коллектора велико, поэтому происходит захват электронов в коллектор. Получается что ток коллектора практически равен току эмитера минус небольшие потери на рекомбинацию в базе. Iк=Iб-Iэ.

    База как раз и выполняет роль вентиля, который перекрывает поток электронов через транзистор. Для того чтобы начать управление нужно на вывод базы транзистора подать ток. Его называют тока базы. А напряжение, приложенное к выводам эмиттера и базы, называют «напряжением смещения». Изменяя этот ток (базы) мы тем самым изменяем основной ток (коллекторный) через транзистор.

    Нагрев транзисторов

    Протека через транзистор электронам оказывают большое сопротивление узлы кристаллической решетки полупроводников. Что приводит к его нагреву. В маломощных биполярных транзисторах этот нагрев не значителен, и ни как не сказывается на его работе. А вот в мощных транзисторах, через которые протекают большие токи, этот нагрев может привести к его поломке. Для того чтобы это предотвратить применяют радиаторы.

    Радиаторы необходимы для отвода тепла от транзистора. Иногда с целью улучшения теплоотдачи применяют термопасту. Некоторые радиаторы имеют на поверхности ребра. Эти ребра увеличивают общую поверхность. На некоторых радиаторах установлены вентиляторы, который обеспечивает непрерывный поток воздуха, и как следствие отвод теплоты увеличивается.

    Схемы подключения транзисторов

    • эмиттерная схема;
    • базовая схема;
    • коллекторная схема.

    Работа транзистора в этих схемах различна.

    Эмиттерная схема включения

    Наиболее часто используемая схема включения это эмиттерная схема. Включение транзистора по данной схеме обеспечивает усиление по напряжению и по току. Входное сопротивление данной схемы невелико (порядка сотен Ом) и высокое выходное сопротивление (десятки кОм).

    Коллекторная схема включения

    Данный схема имеет приличное сопротивление на входе и небольшое сопротивление на выходе. Входное сопротивление данной схемы зависит от нагрузки, которая у нас включена на выходе и больше данного сопротивления на усилительный коэффициент. Ее целесообразно применить источником входного сигнала с высоким выходное сопротивление, к примеру, конденсаторный микрофон или пьезоэлектрический звукосниматель.

    Базовая схема включения

    Данная схема используется для усиления только напряжения. Усилительный коэффициент по току, а точнее отношение выходного тока к входному всегда меньше единицы. Применяется для усиления высоких частот и имеет минимальные уровни шумов выходных сигналов, к примеру, в усилителях антенн, где сопротивление составляет порядка сотен Ом.

    Работа биполярного транзистора в различных режимах

    Транзистор в электрических схемах подключаеться по разному и имеет 4 основные режима работы. Их основное отличие в направлении протекающего тока через переход или вовсе отсутствии электрического тока. Под переходом здесь понимаеться область между двумя p и n полупроводниками.

    Активный режим

    На перехож Б — Э; (база-эмиттер); подключено прямое напряжение, а на переход Э-К (эмиттер-коллектор) подключено обратное напряжение.Усиление сигнала в этом режиме максимальное. Этот режим является наиболее часто используемым.

    Насыщенный режим

    На переход Б — Э и переход Б-К поданы прямые напряжения, переходы полностью открыты.

    Отсечное режим

    Режим работы закрытого транзистора, когда к переходы подано обратное напряжение.; Применяется в схемах где нужно два состояния транзистора: «открыт» или «закрыт». Такие схемы называют ключевыми.

    Режим инверсии

    На переход Э-К (коллекторный переход) подяно прямое напрядение, а на Б — Э обратное. Довольно редкий режим работы биполярного транзистора.

    Чем объясняется малая толщина базы в транзисторе?

    Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
    Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
    Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
    В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.
    Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
    И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

    Виды транзисторов

    По принципу действия и строению различают полупроводниковые триоды:

    • полевые;
    • биполярные;
    • комбинированные.

    Эти транзисторы выполняют одинаковые функции, однако существуют различия в принципе их работы.

    Полевые

    Данный вид триодов ещё называют униполярным, из-за электрических свойств – у них протекает ток только одной полярности. По строению и типу управления эти устройства подразделяются на 3 вида:

    1. Транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 6).
    2. С изолированным затвором (бывают со встроенным либо с индуцированным каналом).
    3. МДП, со структурой: металл-диэлектрик-проводник.

    Отличительная черта изолированного затвора – наличие диэлектрика между ним и каналом.

    Детали очень чувствительны к статическому электричеству.

    Схемы полевых триодов показано на рисунке 5.

    
    Рис. 5. Полевые транзисторы

    Обратите внимание на название электродов: сток, исток и затвор.

    Полевые транзисторы потребляют очень мало энергии. Они могут работать больше года от небольшой батарейки или аккумулятора. Поэтому они нашли широкое применение в современных электронных устройствах, таких как пульты дистанционного управления, мобильные гаджеты и т.п.

    Биполярные

    Об этом виде транзисторов много сказано в подразделе «Базовый принцип работы». Отметим лишь, что название «Биполярный» устройство получило из-за способности пропускать заряды противоположных знаков через один канал. Их особенностью является низкое выходное сопротивление.

    Транзисторы усиливают сигналы, работают как коммутационные устройства. В цепь коллектора можно включать достаточно мощную нагрузку. Благодаря большому току коллектора можно понизить сопротивление нагрузки.

    Более детально о строении и принципе работы рассмотрим ниже.

    Комбинированные

    С целью достижения определённых электрических параметров от применения одного дискретного элемента разработчики транзисторов изобретают комбинированные конструкции. Среди них можно выделить:

    • биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами;
    • комбинации из двух триодов (одинаковых или разных структур) в одном корпусе;
    • лямбда-диоды – сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением;
    • конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом (применяются для управления электромоторами).

    Комбинированные транзисторы – это, по сути, элементарная микросхема в одном корпусе.

    Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

    Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
    Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
    Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
    Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
    Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
    Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
    Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
    Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
    Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
    Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
    Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
    Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
    Также параметрами биполярного транзистора являются:

    • обратный ток коллектор-эмиттер
    • время включения
    • обратный ток колектора
    • максимально допустимый ток

    Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

    Достоинства и недостатки биполярных транзисторов

    К достоинствам биполярных транзисторов в сравнении с аналогами относятся:

    • управление электрическими зарядами;
    • надежность в работе;
    • устойчивость к частотным помехам;
    • малые шумовые характеристики;

    К недостаткам можно отнести:

    • обладает малым значением входного сопротивления, из-за которого ухудшаются характеристики по усилению сигналов;
    • резкая чувствительность к статике зарядов;
    • схема включения предполагает присутствие 2-х питаний;
    • при высоких значениях температуры возможно повреждение транзистора.

    Режимы работы

    Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

    1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
    2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
    3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
    4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

    Схемы включения

    Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

    С общим эмиттером

    Эта схема включения биполярных транзисторов обеспечивает наибольшее увеличение вольтамперных характеристик (ВАХ), поэтому является самой востребованной. Минус такого варианта – ухудшение усилительных свойств прибора при повышении частоты и температуры. Это означает, что для высокочастотных транзисторов рекомендуется подобрать другую схему.

    С общей базой

    Применяется для работы на высоких частотах. Уровень шумов снижен, усиление не очень велико. Каскады приборов, собранные по такой схеме, востребованы в антенных усилителях. Недостаток варианта – необходимость в двух источниках питания.

    С общим коллектором

    Для такого варианта характерна передача входного сигнала обратно на вход, что существенно уменьшает его уровень. Коэффициент усиления по току – высокий, по напряжению – небольшой, что является минусом этого способа. Схема приемлема для каскадов приборов в случаях, если источник входного сигнала обладает высоким входным сопротивлением.

    

    Какие параметры учитывают при выборе биполярного транзистора?

    • Материал, из которого он изготовлен, – арсенид галлия или кремний.
    • Частоту. Она может быть – сверхвысокая (более 300 МГц), высокая (30-300 МГц), средняя – (3-30 МГц), низкая (менее 3 МГц).
    • Максимальную рассеиваемую мощность.

    PNP-транзистор: подключение источников напряжения

    Источник напряжения между базой и эмиттером (VBE) подключается отрицательным полюсом к базе и положительным к эмиттеру, потому что работа PNP-транзистора происходит при отрицательном смещении базы по отношению к эмиттеру.

    Напряжение питания эмиттера также положительно по отношению к коллектору (VCE). Таким образом, у транзистора PNP-типа вывод эмиттера всегда более положителен по отношению как к базе, так и к коллектору.

    Источники напряжения подключаются к PNP-транзистору, как показано на рисунке ниже.

    

    На этот раз коллектор подключен к напряжению питания VCC через нагрузочный резистор, RL, который ограничивает максимальный ток, протекающий через прибор. Базовое напряжения VB, которое смещает ее в отрицательном направлении по отношению к эмиттеру, подано на нее через резистор RB, который снова используется для ограничения максимального тока базы.

    Работа PNP-транзисторного каскада

    Итак, чтобы вызвать протекание базового тока в PNP-транзисторе, база должна быть более отрицательной, чем эмиттер (ток должен покинуть базу) примерно на 0,7 вольт для кремниевого прибора или на 0,3 вольта для германиевого. Формулы, используемые для расчета базового резистора, базового тока или тока коллектора такие же, как те, которые используются для эквивалентного NPN-транзистора и представлены ниже.

    

    Мы видим, что фундаментальным различием между NPN и PNP-транзистором является правильное смещение pn-переходов, поскольку направления токов и полярности напряжений в них всегда противоположны. Таким образом, для приведенной выше схеме: IC = IE – IB, так как ток должен вытекать из базы.

    Как правило, PNP-транзистор можно заменить на NPN в большинстве электронных схем, разница лишь в полярности напряжения и направлении тока. Такие транзисторы также могут быть использованы в качестве переключающих устройств, и пример ключа на PNP-транзисторе показан ниже.

    

    Рассмотрим отличия PNP-типа на схеме включения с общей базой

    Действительно, из нее можно увидеть, что ток коллектора IC (в случае транзистора NPN) вытекает из положительного полюса батареи B2, проходит по выводу коллектора, проникает внутрь него и должен далее выйти через вывод базы, чтобы вернуться к отрицательному полюсу батареи. Таким же образом, рассматривая цепь эмиттера, можно увидеть, как его ток от положительного полюса батареи B1 входит в транзистор по выводу базы и далее проникает в эмиттер.

    

    По выводу базы, таким образом, проходит как ток коллектора IC, так и ток эмиттера IE. Поскольку они циркулируют по своим контурам в противоположных направлениях, то результирующий ток базы равен их разности и очень мал, так как IC немного меньше, чем IE. Но так как последний все же больше, то направление протекания разностного тока (тока базы) совпадает с IE, и поэтому биполярный транзистор PNP-типа имеет вытекающий из базы ток, а NPN-типа – втекающий.

    Отличия PNP-типа на примере схемы включения с общим эмиттером

    В этой новой схеме PN-переход база-эмиттер открыт напряжением батареи B1, а переход коллектор-база смещен в обратном направлении посредством напряжения батареи В2. Вывод эмиттера, таким образом, является общим для цепей базы и коллектора.

    

    Полный ток эмиттера задается суммой двух токов IC и IB; проходящих по выводу эмиттера в одном направлении. Таким образом, имеем IE = IC + IB.

    В этой схеме ток базы IB просто «ответвляется» от тока эмиттера IE, также совпадая с ним по направлению. При этом транзистор PNP-типа по-прежнему имеет вытекающий из базы ток IB, а NPN-типа – втекающий.

    В третьей из известных схем включения транзисторов, с общим коллектором, ситуация точно такая же. Поэтому мы ее не приводим в целях экономии места и времени читателей.

    Где транзисторы купить?

    Как и все другие радиокомпоненты транзисторы можно купить в любом ближайшем магазине радиодеталей. Если вы живете где-нибудь на окраине и о подобных магазинах не слышали (как я раньше) то остается последний вариант — заказать транзисторы в интернет- магазине. Я сам частенько заказываю радиодетали через интернет-магазины ведь в обычном оффлайн магазине может чего-нибудь просто не оказаться.

    Впрочем если вы собираете устройство чисто для себя то можно не париться а добыть из старой, отслужившей свое техники и так сказать вдохнуть в старый радиокомпонет новую жизнь.

    Чтож друзья, а на этом у меня все. Все, что планировал я сегодня вам рассказал. Если остались какие-либо вопросы, то задавайте их в комментариях, если вопросов нет то все равно пишите комментарии, мне всегда важно ваше мнение. Кстати не забывайте, что каждый кто впервые оставит комментарий получит подарок.

    Похожие публикации:

    1. Csr bluetooth chip как подключить наушники
    2. Splan как добавить библиотеку
    3. В чем измеряется электрическое поле
    4. Для чего служит закоротка

    Как называют средний слой у биполярных транзисторов

    Как называют средний слой у биполярных транзисторов

    Хочешь узнать ответ

    Средний слой биполярного транзистора называется базой, а крайние — эмиттером и коллектором. При изготовлении транзистора эмиттер легируют более сильно, чем коллектор (содержание примесей в эмиттере выше, чем в коллекторе), чтобы содержание свободных носителей заряда в эмиттере было выше.

    

    Направление стрелки эмиттера показывает направление тока в транзисторе (у p-n-p транзистора основным переносчиком заряда служат положительно заряженные дырки, поэтому направление тока совпадает с направлением движения зарядов, а у n-p-n транзистора основным переносчиком заряда служат электроны, поэтому направление тока противоположно движению зарядов).

    Рассмотрим работу биполярного транзистора на примере транзистора n-p-n типа.

    Если приложить к базе положительное, относительно эмиттера напряжение, то эмиттерный p-n переход будет включен в прямом направлении и электроны начнут дрейфовать из эмиттера в базу (потечет ток). Если к коллектору приложено положительное, относительно базы напряжение, то к коллекторному p-n переходу будет приложено обратное напряжение и электрическое поле коллектора будет выталкивать из этого p-n перехода все электроны в сторону коллектора. Но база транзистора очень тонкая, поэтому обе области p-n перехода пересекаются, из-за чего большинство электронов, прошедших в базу из эмиттера захватываются полем коллектора и уносятся к коллектору. В базе остаются и рекомбинируют с дырками лишь незначительное число электронов, т.е. ток базы получается во много раз меньше тока коллектора.

    Получается, что ток эмиттера разделяется на ток базы и ток коллектора, причем ток коллектора во много раз больше тока базы.

    Если каким-либо образом незначительно изменять ток базы, то ток коллектора будет изменяться очень сильно. Благодаря этому свойству транзистор можно использовать как усилительный элемент.

    Коэффициент, который показывает — во сколько раз изменится ток коллектора при изменении тока базы называется коэффициентом усиления тока базы и для каждого транзистора является постоянной величиной.

    коэффициент усиления тока базы: b = D I_к/ D I_б » I_к/I_б

    На практике пользуются также коэффициентом передачи эмиттерного тока, который равен отношению тока коллектора к току эмиттера.

    коэффициент передачи эмиттерного тока: a = D I_к/ D I_э » I_к/I_э

    Коэффициент усиления тока базы и коэффициент передачи эмиттерного тока связаны между собой:

    8.4 Транзисторы

    Транзисторы (Т) – полупроводниковые приборы, служащие для уси—ления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзи—сторы делятся на биполярные и полевые (униполярные). б)а)ЭЭЭЭККККББББрnрnnp

    Рисунок 8.5 – Структура биполярного транзистора типов pnp−− (а), npn−− (б) и их условное обозначение

    Биполярный транзистор (БТ) – представляет собой трехслойную структуру (рисунок 8.5) В зависимости от способа чередования слоев БТ 171

    называются транзисторами типа pnp−− или типа npn−− (рису— нок 8.5,а, б).

    Транзистор называется биполярным, если физические процессы в нем связаны с движением носителей обоих знаков (свободных электронов и дырок).

    В биполярном транзисторе средний слой называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет свой вывод, с помощью которых биполярный транзи—стор подключается в цепь.

    Структура и условное обозначение одного из видов полевых транзи—сторов показана на рисунке 8.6. У полевых транзисторов так же, как и у биполярных – три электрода, называемые истоком, стоком и затвором.

    Истоком (И) называется электрод, из которого в центральную об—ласть ПТ (канал) входят основные носители заряда или np—типов.

    Сток (С) – электрод, через который основные носители уходят из канала.

    Затвор (З) – электрод, управляющий потоком носителей заряда.

    Поскольку в полевом транзисторе ток определяется движением но—сителей только одного знака p или —типов, эти транзисторы называют также униполярными. nб)а)ИИССЗЗр-областьn-область (затвор)

    Рисунок 8.6 – Структура (а) и условное обозначение полевого транзистора с каналом p—типа

    8.4.2 Усилители на транзисторах.

    Усиление электрических сигналов необходимо при приеме радио—сигналов, контроле и автоматизации технологических процессов, при из—мерении электрических и неэлектрических величин и т.д.

    Простейшим усилителем является усилительный каскад (рису— нок 8.7), содержащий нелинейный управляемый элемент УЭ, как правило биполярный или полевой транзистор, резистор R и источник электриче—ской энергии E.

    Усилительный каскад имеет входную цепь, к которой подводится входное напряжение (усиливаемый сигнал) и выходную цепь, с кото—рой снимается выходное напряжение U (усиленный сигнал). вхUвых

    Усиленный сигнал имеет значительно большую мощность по срав—нению с входным сигналом. Увеличение мощности сигнала происходит за счет источника электрической энергии. Процесс усиления осуществляется посредством изменения сопротивления управляемого элемента, а, следова—тельно, и тока в выходной цепи, под воздействием входного напряжения или тока. выxвыxвxuiuREУЭ

    Рисунок 8.7 – Структурная схема усилительного каскада

    Выходное напряжение снимается с управляемого элемента или рези—стора R. Таким образом, усиление основано на преобразовании электриче—ской энергии источника постоянной ЭДС E в энергию выходного сигнала за счет изменения сопротивления управляемого элемента по закону, зада—ваемому входным сигналом.

    Основными параметрами усилительного каскада являются:

    — коэффициент усиления по напряжению вхвыхuUUК=;

    — коэффициент усиления по току вхвыхiIIК=;

    — коэффициент усиления по мощности iuвхвхвыхвыхвхвыхpKKIUIUPPК⋅=⋅⋅==.

    Усилительный каскад имеет коэффициент усиления по напряжению , равный нескольким десяткам. uК

    Для получения больших значений , достигающих многих тысяч и более, используют многокаскадные усилители, в которых каждый после—дующий каскад подсоединен к выходу предыдущего (рисунок 8.8). uК

    вxвxвx nвыxвыxвыx nu=uuuuuKKK12n1221

    Рисунок 8.8 – Структурная схема многокаскадного усилителя

    Коэффициент усиления многокаскадного усилителя nвхвыхnUK. KKUUК⋅⋅⋅==211,

    где – коэффициенты усиления первого, второго и —го каскада. nК. К,К21n

    Биполярные транзисторы

    В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

    Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими между собой р-п–переходами и тремя или более выводами.

    Полупроводниковый кристалл транзистора состоит из трех областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два р-п -перехода. Средняя область обычно выполняется очень тонкой (доли микрона), поэтому р-п -переходы близко расположены один от другого.

    В зависимости от порядка чередования областей полупроводника с различными типами электропроводности различают транзисторы р-п-р и п-р-п- типов. Упрощенные структуры и УГО разных типов транзисторов показаны на рисунке 1.23, а, б.

    Рисунок 1.23 – Структура и УГО биполярных транзисторов

    Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. В качестве основного материала для изготовления биполярных транзисторов в настоящее время используется кремний. При этом преимущественно изготовляют транзисторы п-р-п -типа, в которых основными носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в два-три раза выше, чем подвижность дырок.

    Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи управляющего электрода – базы. Базой называется средний слой в структуре транзистора. Крайние слои называются эмиттер (испускать, извергать) и коллектор (собирать). Концентрация примесей (а, следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная.

    Для иллюстрации физических процессов в транзисторе воспользуемся упрощенной структурой транзистора п-р-п- типа, приведенной на рисунке 1.24. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что р-п -переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот.

    В активном режиме (когда транзистор работает как усилительный элемент) к транзистору подключают два источника питания таким образом, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рисунок 1.24). Под действием электрического поля источника Е _БЭ через эмиттерный переход течет достаточно большой прямой ток I _Э, который обеспечивается, главным образом, инжекцией электронов из эмиттера в базу Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

    Рисунок 1.24 – Физические процессы в биполярном транзисторе

    Поток электронов, обеспечивающий ток I _Э через переход эмиттер – база показан на рисунке 1.24 широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (1 … 5%) рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя во внешней цепи базы ток I _Б. Вследствие большой разности концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и базе, нескомпенсированные инжектированные в базу электроны движутся в глубь ее по направлению к коллектору.

    Вблизи коллекторного р-п- перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого обратносмещенного перехода. А поскольку в базе они являются неосновными носителями, то происходит втягивание (экстракция) электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

    Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n -перехода несколько больше тока коллекторного p-n -перехода.

    Для тока коллектора можно записать следующее равенство

    где a _ст – статический коэффициент передачи тока эмиттера;

    I_КБО – обратный ток коллекторного перехода (тепловой ток) (у транзисторов малой мощности при нормальной температуре составляет 0, 015. 1 мкА).

    На практике статический коэффициент передачи тока эмиттера a _ст, взависимости от типа транзистора, может принимать значения в диапазоне 0,95 … 0,998.

    Ток эмиттера в транзисторе численно является самым большим и равен

    где – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (в справочной литературе используется обозначение h _{21 Э} , обычно принимает значение b _ст = 20 … 1000 в зависимости от типа и мощности транзистора).

    Из ранее сказанного следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного (выходного) тока зависит от значений токов эмиттера и базы.

    Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (сотни килоом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями, тем самым практически не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность.

    Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки – сотни Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность.

    Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной: сплавление, диффузия, эпитаксия. Это в значительной мере определяет характеристики прибора. Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке 1.25. В частности, на рисунке 1.25, а показана структура сплавного, на рисунке 1.25, б – эпитаксиально — диффузионного, на рисунке 1.25, в – планарного, на рисунке 1.25, г – мезапланарного транзисторов.

    

    Рисунок 1.25 – Способы изготовления биполярных транзисторов

    Режимы работы и схемы включения транзистора

    На каждый р-п- переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки, режим насыщения, активный режим и инверсный режим.

    Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный – обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

    В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному – обратное (a _ст ® min; используется очень редко).

    В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.

    В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.

    Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).

    При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.

    В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в).

    В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками и_вх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а, б) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в) создадут, соответственно, на резисторах R_К и R_Э приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами и_вых.

    

    а б в

    Рисунок 1.26 – Схемы включения транзистора

    При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.

    Вольт-амперные характеристики транзистора

    Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью статических вольт-амперных характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

    Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

    Транзистор, как четырехполюсник, характеризуется входными и выходными статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора).

    На рисунке 1.27 показаны статические ВАХ р-п-р -транзистора, включенного по схеме с ОЭ (наиболее часто применяемой на практике).

    Рисунок 1.27 – Статические ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

    Входная ВАХ (рисунок 1.27, а) подобна прямой ветви ВАХ диода. Она представляет собой зависимость тока I_Б от напряжения U_БЭ при фиксированном значении напряжения U_КЭ, то есть зависимость вида

    Из рисунка 1.27, а видно: чем больше напряжение U_КЭ, тем правее смещается ветвь входной ВАХ. Это объясняется тем, что при увеличении обратносмещающего напряжения U_КЭ происходит увеличение высоты потенциального барьера коллекторного р — п -перехода. А поскольку в транзисторе коллекторный и эмиттерный р — п -переходы сильно взаимодействуют, то это, в свою очередь, приводит к уменьшению базового тока при неизменном напряжении U_БЭ.

    Статические ВАХ, представленные на рисунке 1.27, а, сняты при нормальной температуре (20 °С). При повышении температуры эти характеристики будут смещаться влево, а при понижении – вправо. Это связано с тем, что при повышении температуры повышается собственная электропроводность полупроводников.

    Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, строится семейство выходных ВАХ (рисунок 1.27, б). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только (и не столько, как видно из рисунка) от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Таким образом, выходной вольт-амперной характеристикой для схемы с ОЭ называется зависимость тока I_К от напряжения U_КЭ при фиксированном токе I_Б, то есть зависимость вида

    Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I_К при возрастании выходного напряжения U_КЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

    На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: область насыщения, область отсечки и область активной работы (усиления), соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½ U_БЭ ½ > 0 и ½ U_КЭ ½> 0.

    Входные и выходные статические ВАХ транзисторов используют при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

    Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора р — п — р -типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 1.28, а и 1.28, б соответственно.

    Рисунок 1.28 – Статические ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с ОБ

    Для схемы с ОБ входной статической ВАХ называют зависимость тока I_Э от напряжения U_ЭБ при фиксированном значении напряжения U_КБ, то есть зависимость вида

    Выходной статической ВАХ для схемы с ОБ называется зависимость тока I_К от напряжения U_КБ при фиксированном токе I_Э, то есть зависимость вида

    На рисунке 1.28, б можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U_КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим насыщения (U_КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

    Математическая модель биполярного транзистора

    К настоящему времени известно много электрических моделей биполярных транзисторов. В системах автоматизации проектирования (САПР) радиоэлектронных средств наиболее часто используются: модели Эберса-Молла, обобщенная модель управления зарядом Гуммеля-Пуна, модель Линвилла, а также локальные П- и Т-образные модели линейных приращений Джиаколлето.

    Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов модели Эберса-Молла (рисунок 1.29), отражающей свойства транзисторной структуры в линейном режиме работы и в режиме отсечки.

    Рисунок 1.29 – Схема замещения биполярного транзистора (модель Эберса-Молла)

    На рисунке 1.29 использованы обозначения: r_э, r_б, r_к – сопротивления, соответственно, эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора и контактов к ним; I_б, I_к – управляемые напряжением и_п на входном переходе источники тока, отражающие передачу тока через транзистор; R_эб – сопротивление утечки перехода база-эмиттер; R_кб – сопротивление утечки перехода база-коллектор. Ток источника I_б связан с напряжением на переходе соотношением

    где I_БО – ток насыщения перехода база-эмиттер (обратный ток);

    y _к = (0,3 … 1,2) В – контактная разность потенциалов (зависит от типа полупроводникового материала);

    т – эмпирический коэффициент.

    Параллельно переходу база-эмиттер включены барьерная емкость С_бэ и диффузионная емкость С_дэ перехода. Величина С_бэ определяется обратным напряжением на переходе и_п и зависит от него по закону

    g = 0,3. 0,5 – коэффициент, зависящий от распределения примесей в области базы транзистора.

    Диффузионная емкость является функцией тока I_б, протекающего через переход, и определяется выражением

    где А – коэффициент, зависящий от свойств перехода и его температуры.

    Коллекторно-базовый переход моделируется аналогично, отличие состоит лишь в учете только барьерной емкости перехода

    так как при работе транзистора в линейном режиме и режиме отсечки коллекторного тока этот переход закрыт. Выражение для тока управляемого источника коллекторного тока, моделирующего усилительные свойства транзистора, имеет вид

    где b _ст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером.

    Параметры модели Эберса-Молла могут быть получены либо расчетным путем на основе анализа физико-топологической модели транзистора, либо измерены экспериментально. Наиболее легко определяются статические параметры модели на постоянном токе.

    Глобальная электрическая модель дискретного биполярного транзистора, учитывающая индуктивности и емкости его выводов, представлена на рисунке 1.30.

    Рисунок 1.30 – Глобальная модель биполярного транзистора

    Основные параметры биполярного транзистора

    При определении переменных составляющих токов и напряжений (то есть при анализе электрических цепей на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 1.31, а). Названия (физическая сущность) входных и выходных токов и напряжений такого четырехполюсника зависят от схемы включения транзистора.

    Рисунок 1.31 – Представление биполярного транзистора линейным четырехполюсником

    Для схемы включения транзистора с общим эмиттером токи и напряжения четырехполюсника (рисунок 1.31, б) соответствуют следующим токам и напряжениям транзистора:

    — i ₁ – переменная составляющая тока базы;

    — u ₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

    — i ₂ – переменная составляющая тока коллектора;

    — u ₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

    Транзистор удобно описывать, используя так называемые h -параметры. При этом система уравнений четырехполюсника в матричном виде примет вид

    Коэффициенты h_ij (то есть h -параметры) определяют опытным путем, используя поочередно режимы короткого замыкания и холостого хода на входе и выходе четырехполюсника.

    Сущность h -параметров для схемы включения транзистора с ОЭ следующая:

    — – входное сопротивление транзистора для переменного сигнала при коротком замыкании на выходе;

    — – выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе;

    — – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе;

    — – коэффициент передачи тока транзистора при коротком замыкании на выходе.

    Используя схему замещения транзистора, можно найти зависимость h -параметров от параметров транзистора.

    Вчастности, можно показать, что для схемы включения транзистора с ОЭ имеют место следующие соотношения:

    В приведенных формулах использованы следующие параметры транзисторов:

    — r_б – омическое сопротивление тела базы. У реальных транзисторов достигает значений 100 … 200 Ом;

    — r_э – сопротивление р — п -перехода, значение которого зависит от режима работы транзистора и меняется в активном режиме в пределах долей – десятков Ом;

    — b – дифференциальный коэффициент передачи тока базы, определяемый из выражения

    — – сопротивление коллекторной области, определяемое из выражения

    где r_к – дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (обычно находится в пределах доли – десятки МОм), определяемое из выражения

    Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

    Средний слой биполярного транзистора называется: Биполярные транзисторы.Виды и характеристики.Работа и устройство

    Биполярные транзисторы.Виды и характеристики.Работа и устройство

    Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

    Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

    Разновидности биполярных транзисторов

    Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

    

    • Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
    • Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
    • Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
    • Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

    Устройство и работа

    Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

    Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

    Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади. Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону. Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

    Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника.

    Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

    При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга. Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы I_б. Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

    

    По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля. Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их. Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I _э = I _б + I _к.

    Характеристики

    • Коэффициент усиления тока β = I_к / I_б.
    • Коэффициент усиления напряжения U_эк / U_бэ.
    • Сопротивление на входе.
    • Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

    Режимы работ и схемы

    

    Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

    Схема с общим коллектором

    Сигнал проходит на сопротивление R_L, которое также включено в цепь коллектора.

    Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

    Схема с общей базой

    Сигнал входа проходит через С₁, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

    В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

    Схема с общим эмиттером

    

    Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки R_L, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

    Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С₁, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R₁, благодаря которому открывается транзистор.

    В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

    Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

    Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

    

    Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

    Биполярные транзисторы в различных режимах

    Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

    Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

    

    Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

    Отсечка

    Этот режим образуется при снижении напряжения V_БЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

    Активный режим

    При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

    Режим насыщения

    

    Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы. При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем. Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

    Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

    При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

    Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью Vke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении I_В ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik и наиболее крутым графиком.

    Режим переключения

    

    Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

    Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

    Похожие темы:

    Транзистор — Transistor — qaz.wiki

    Твердотельный переключатель с электрическим управлением, также используемый в качестве усилителя

    Разборные дискретные транзисторы. Пакеты по порядку сверху вниз: ТО-3 , ТО-126 , ТО-92 , СОТ-23 .

    

    Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор , используемый для усиления или переключения электронных сигналов и электроэнергии . Он состоит из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами для подключения к внешней цепи. Напряжения или ток применяется к одной паре клемм управления транзистором тока через другую пару клемм. Поскольку управляемая (выходная) мощность может быть выше управляющей (входной) мощности, транзистор может усиливать сигнал. Сегодня некоторые транзисторы упакованы индивидуально, но гораздо больше встроено в интегральные схемы. .

    

    Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд предложил концепцию полевого транзистора в 1926 году, но в то время было невозможно построить работающее устройство. Первым рабочим устройством, которое было создано, был точечный транзистор, изобретенный в 1947 году американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном, когда они работали под руководством Уильяма Шокли в Bell Labs . Эти трое разделили Нобелевскую премию по физике 1956 года за свои достижения. Наиболее широко используемый транзистор является МОП — транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор), также известный как МОП — транзистора, который был изобретен Mohamed Atalla с Давон Канг в Bell Labs в 1959 году полевого МОП — транзистора был первым по- настоящему компактный транзистор которые могут быть уменьшены в размерах и произведены серийно для широкого круга применений.

    

    Большинство транзисторов изготовлено из очень чистого кремния , а некоторые из германия , но иногда используются некоторые другие полупроводниковые материалы. Транзистор может иметь носитель заряда только одного типа, в полевом транзисторе, или может иметь два типа носителей заряда в устройствах с биполярным переходом . По сравнению с вакуумной лампой транзисторы, как правило, меньше и требуют меньше энергии для работы. Некоторые электронные лампы имеют преимущества перед транзисторами при очень высоких рабочих частотах или высоких рабочих напряжениях. Многие типы транзисторов изготавливаются по стандартизованным спецификациям несколькими производителями.

    История

    

    Термоэлектронной триод , вакуумная трубка изобретен в 1907 году, позволило усиленный радио технологии и междугородной телефонной связи . Однако триод был хрупким устройством, потребляющим значительное количество энергии. В 1909 году физик Уильям Эклс открыл генератор на кристаллическом диоде. Австро-венгерский физик Юлиус Эдгар Лилиенфельд подал патент на полевой транзистор (FET) в Канаде в 1925 году, который должен был стать твердотельной заменой триода. Лилиенфельд также зарегистрировал идентичные патенты в США в 1926 и 1928 годах. Однако Лилиенфельд не публиковал никаких исследовательских статей о своих устройствах, и в его патентах не приводились какие-либо конкретные примеры рабочего прототипа.

    Биполярные транзисторы

    

    С 17 ноября 1947 года по 23 декабря 1947 года , Джон Бардин и Уолтер Браттейн в AT & T «s Bell Labs в Мюррей — Хилл, штат Нью — Джерси , провели эксперименты и наблюдали , что , когда две точки контакта золота были применены к кристаллу германия , сигнал был произведен с выходной мощностью больше входной. Руководитель группы по физике твердого тела Уильям Шокли увидел в этом потенциал и в течение следующих нескольких месяцев работал над значительным расширением знаний о полупроводниках. Термин « транзистор» был придуман Джоном Р. Пирсом как сокращение от термина « трансрезистентность» . По словам Лилиан Ходдесон и Вики Дэйч, авторов биографии Джона Бардина, Шокли предложил, чтобы первый патент Bell Labs на транзистор был основан на полевом эффекте и чтобы он был назван изобретателем. Обнаружив патенты Лилиенфельда, которые ушли в безвестность несколькими годами ранее, юристы Bell Labs посоветовали не соглашаться с предложением Шокли, поскольку идея полевого транзистора, использующего электрическое поле в качестве «сетки», не нова. Вместо этого в 1947 году Бардин, Браттейн и Шокли изобрели первый транзистор с точечным контактом . В знак признания этого достижения Шокли, Бардин и Браттейн были совместно награждены Нобелевской премией по физике 1956 года «за свои исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».

    

    Исследовательская группа Шокли первоначально пыталась создать полевой транзистор (FET), пытаясь модулировать проводимость полупроводника , но безуспешно, в основном из-за проблем с поверхностными состояниями , оборванной связью и материалами соединений германия и меди. . В ходе попыток понять загадочные причины того, что им не удалось создать работающий полевой транзистор, они вместо этого изобрели биполярные точечные и переходные транзисторы .

    Герберт Матаре в 1950 году. Он независимо изобрел точечный транзистор в июне 1948 года.

    В 1948 году точечный транзистор был независимо изобретен немецкими физиками Гербертом Матаре и Генрихом Велкером, когда они работали в

    

    Compagnie des Freins et Signaux , дочерней компании Westinghouse, расположенной в Париже . Матаре ранее имел опыт разработки кристаллических выпрямителей из кремния и германия в немецких радиолокационных станциях во время Второй мировой войны . Используя эти знания, он начал исследовать явление «интерференции» в 1947 году. К июню 1948 года, наблюдая токи, протекающие через точечные контакты, Матаре получил последовательные результаты, используя образцы германия, произведенные Велкером, аналогично тому, что Бардин и Браттейн достигли ранее в Декабрь 1947 года. Осознав, что ученые Bell Labs уже изобрели транзистор до них, компания поспешила осуществить его «переход» в производство для усиленного использования в телефонной сети Франции и 13 августа 1948 года подала свою первую заявку на патент на транзистор.

    Первые биполярные транзисторы с переходом были изобретены Уильямом Шокли из Bell Labs, который подал заявку на патент (2569347) 26 июня 1948 года. 12 апреля 1950 года химики Bell Labs Гордон Тил и Морган Спаркс успешно создали работающий усилитель биполярного NPN перехода. германиевый транзистор. Bell Labs объявила об открытии этого нового транзистора-сэндвича в пресс-релизе 4 июля 1951 года.

    Поверхностно-барьерный транзистор Philco разработан и произведен в 1953 году.

    

    Первым высокочастотным транзистором был германиевый транзистор с поверхностным барьером, разработанный Philco в 1953 году и способный работать на частоте до 60 МГц . Они были сделаны путем травления углублений в германиевой основе N-типа с обеих сторон струями сульфата индия (III) до толщины в несколько десятитысячных дюйма. Индий, нанесенный гальваническим способом в углубления, образовал коллектор и эмиттер.

    

    Первый «прототип» карманного транзисторного радиоприемника был продемонстрирован компанией INTERMETALL (компания, основанная Гербертом Матаре в 1952 году) на Internationale Funkausstellung Düsseldorf с 29 августа 1953 года по 6 сентября 1953 года. Первым «серийным» карманным транзисторным радиоприемником был Regency TR -1 , выпущенный в октябре 1954 года. TR-1 производился совместным предприятием Regency Division of Industrial Development Engineering Associates, IDEA и Texas Instruments из Далласа, штат Техас, в Индианаполисе, штат Индиана. Это был почти карманный радиоприемник с четырьмя транзисторами и одним германиевым диодом. Промышленный дизайн был передан чикагской фирме Painter, Teague and Petertil. Первоначально он был выпущен в одном из шести разных цветов: черный, слоновая кость, красный мандарин, серый, красное дерево и оливково-зеленый. Вскоре должны были появиться и другие цвета.

    Первый «серийный» полностью транзисторный автомобильный радиоприемник был разработан корпорациями Chrysler и Philco, и о нем было объявлено в выпуске Wall Street Journal от 28 апреля 1955 года. Осенью 1955 года компания Chrysler выпустила полностью транзисторную автомобильную радиостанцию ​​Mopar model 914HR в качестве опции для своей новой линейки автомобилей Chrysler и Imperial 1956 года, которые впервые появились в автосалоне 21 октября 1955 года.

    Sony TR-63, выпущенный в 1957 году, был первый серийно транзисторные радиоприемники, что приводит к проникновению на массовый рынок транзисторных радиоприемников. К середине 1960-х TR-63 было продано семь миллионов единиц по всему миру. Успех Sony с транзисторными радиоприемниками привел к тому, что транзисторы заменили электронные лампы в качестве доминирующей электронной технологии в конце 1950-х годов.

    

    Первый рабочий кремниевый транзистор был разработан в Bell Labs 26 января 1954 года Моррисом Таненбаумом . Первый коммерческий кремниевый транзистор был произведен компанией Texas Instruments в 1954 году. Это была работа Гордона Тила , специалиста по выращиванию кристаллов высокой чистоты, который ранее работал в Bell Labs.

    MOSFET (МОП-транзистор)

    Полупроводниковые компании первоначально сосредоточились на переходных транзисторах в первые годы полупроводниковой промышленности . Однако переходной транзистор был относительно громоздким устройством, которое было трудно производить в серийном производстве , что ограничивало его применение в нескольких специализированных областях. Полевые транзисторы (FET) теоретизировались как потенциальная альтернатива переходным транзисторам, но исследователи не смогли заставить полевые транзисторы работать должным образом, в основном из-за проблемного барьера поверхностного состояния, который не позволял внешнему электрическому полю проникать в материал.

    

    В 1950-х годах египетский инженер Мохамед Аталла исследовал поверхностные свойства кремниевых полупроводников в Bell Labs, где он предложил новый метод изготовления полупроводниковых устройств , покрывая кремниевую пластину изолирующим слоем оксида кремния, чтобы электричество могло надежно проникать в проводящие провода. кремний внизу, преодолевая поверхностные состояния, препятствующие проникновению электричества в полупроводниковый слой. Это известно как пассивация поверхности , метод, который стал критически важным для полупроводниковой промышленности, поскольку позже он сделал возможным массовое производство кремниевых интегральных схем . Он представил свои открытия в 1957 году. Основываясь на своем методе пассивации поверхности, он разработал процесс металл-оксид-полупроводник (МОП). Он предложил использовать процесс MOS для создания первого работающего кремниевого полевого транзистора, над созданием которого он начал работать с помощью своего корейского коллеги Давона Канга .

    

    Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (MOSFET), также известный как МОП — транзистора, был изобретен Mohamed Atalla и Давон Канг в 1959 году полевого МОП — транзистора был первым по- настоящему компактный транзистор , который может быть миниатюрного и массового производства для а широкий спектр использования. Благодаря высокой масштабируемости , гораздо более низкому энергопотреблению и более высокой плотности, чем у транзисторов с биполярным переходом, MOSFET позволил создавать интегральные схемы высокой плотности , позволяющие объединить более 10 000 транзисторов в одной ИС.

    КМОП (дополнительная МОП ) была изобретена Чих-Тан Сахом и Фрэнком Ванлассом в Fairchild Semiconductor в 1963 году. Первый отчет о МОП-транзисторе с плавающим затвором был сделан Давоном Кангом и Саймоном Сзе в 1967 году. МОП — транзистор с двойным затвором был впервые продемонстрирован в 1984 г. — исследователи Электротехнической лаборатории Тосихиро Секигава и Ютака Хаяси. FinFET (плавниковый полевой транзистор), тип трехмерного неплоского полевого МОП — транзистора с несколькими затворами , возник в результате исследований Дая Хисамото и его команды в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году.

    Важность

    

    Транзисторы являются ключевыми активными компонентами практически всей современной электроники . Таким образом, многие считают транзистор одним из величайших изобретений 20 века.

    

    МОП — транзистор (металл-оксид-полупроводник полевой транзистор), также известный как МОП — транзистор, на сегодняшний день является наиболее широко используемый транзистор, используемый в приложениях , начиная от компьютеров и электроники для коммуникационных технологий , таких как смартфоны . MOSFET считается самым важным транзистором, возможно, самым важным изобретением в электронике и рождением современной электроники. МОП-транзистор был фундаментальным строительным блоком современной цифровой электроники с конца 20 века, прокладывая путь в цифровую эпоху . Управление по патентам и товарным знакам США называет это «революционным изобретением, изменившим жизнь и культуру во всем мире». Его важность в современном обществе основывается на его способности массового производства с использованием высокоавтоматизированного процесса ( изготовление полупроводниковых устройств ), который обеспечивает поразительно низкие затраты на транзистор.

    Изобретение первого транзистора в Bell Labs было названо вехой IEEE в 2009 году. Список вех IEEE также включает изобретение переходного транзистора в 1948 году и MOSFET в 1959 году.

    

    Хотя каждая из нескольких компаний ежегодно производит более миллиарда МОП-транзисторов в индивидуальной упаковке (известных как дискретные ), подавляющее большинство транзисторов в настоящее время производятся в виде интегральных схем (часто сокращенных до микросхем , микрочипов или просто микросхем ), а также диодов , резисторов , конденсаторов. и другие электронные компоненты для производства полных электронных схем. Логический элемент состоит из примерно до двадцати транзисторов , тогда как передовой микропроцессор , начиная с 2009 года, можно использовать целых 3 миллиарда транзисторов ( МОП — транзисторов ). «В 2002 году было построено около 60 миллионов транзисторов… для [каждого] мужчины, женщины и ребенка на Земле».

    МОП-транзистор — наиболее широко производимое устройство в истории. По состоянию на 2013 год ежедневно производятся миллиарды транзисторов, почти все из которых представляют собой полевые МОП-транзисторы. С 1960 по 2018 год было произведено 13 секстиллионов МОП-транзисторов, что составляет не менее 99,9% всех транзисторов.

    Низкая стоимость, гибкость и надежность транзистора сделали его повсеместным устройством. Транзисторные мехатронные схемы заменили электромеханические устройства в управляющих устройствах и механизмах. Часто бывает проще и дешевле использовать стандартный микроконтроллер и написать компьютерную программу для выполнения функции управления, чем разработать эквивалентную механическую систему для управления той же функцией.

    Упрощенная операция

    

    Транзистор Дарлингтона открыл поэтому фактический чип транзистора (маленький квадрат) можно увидеть внутри. Транзистор Дарлингтона — это фактически два транзистора на одной микросхеме. Один транзистор намного больше другого, но оба они больше по сравнению с транзисторами в крупномасштабной интеграции, потому что этот конкретный пример предназначен для силовых приложений. Простая принципиальная схема, показывающая маркировку биполярного транзистора n – p – n.

    Транзистор может использовать слабый сигнал, подаваемый между одной парой его выводов, для управления гораздо более сильным сигналом на другой паре выводов. Это свойство называется усилением . Он может производить более сильный выходной сигнал, напряжение или ток, которые пропорциональны более слабому входному сигналу, и, таким образом, он может действовать как усилитель . В качестве альтернативы, транзистор может использоваться для включения или выключения тока в цепи в качестве переключателя с электрическим управлением , где величина тока определяется другими элементами схемы.

    

    Есть два типа транзисторов, которые имеют небольшие различия в том, как они используются в цепи. Биполярный транзистор имеет клеммы меченых базы , коллектора и эмиттера . Небольшой ток на выводе базы (то есть протекающий между базой и эмиттером) может управлять или переключать гораздо больший ток между выводами коллектора и эмиттера. Для полевого транзистора выводы помечены как затвор , исток и сток , а напряжение на затворе может управлять током между истоком и стоком.

    Изображение представляет собой типичный биполярный транзистор в цепи. Заряд будет течь между выводами эмиттера и коллектора в зависимости от тока в базе. Поскольку внутри соединения база и эмиттер ведут себя как полупроводниковый диод, между базой и эмиттером возникает падение напряжения, пока существует ток базы. Величина этого напряжения зависит от материала, из которого изготовлен транзистор, и обозначается как V _BE .

    Транзистор как переключатель

    

    BJT используется в качестве электронного переключателя в конфигурации с заземленным эмиттером.

    Транзисторы обычно используются в цифровых схемах в качестве электронных переключателей, которые могут находиться в состоянии «включено» или «выключено», как для мощных приложений, таких как импульсные источники питания, так и для приложений с низким энергопотреблением, таких как логические вентили . Важные параметры для этого приложения включают коммутируемый ток, обрабатываемое напряжение и скорость переключения, характеризующуюся временем нарастания и спада .

    В схеме транзистора с заземленным эмиттером, такой как показанная схема выключателя света, при повышении напряжения базы эмиттерный и коллекторный токи возрастают по экспоненте. Напряжение коллектора падает из-за уменьшения сопротивления коллектора к эмиттеру. Если бы разница напряжений между коллектором и эмиттером была равна нулю (или близка к нулю), ток коллектора ограничивался бы только сопротивлением нагрузки (лампочка) и напряжением питания. Это называется насыщением, потому что ток свободно течет от коллектора к эмиттеру. Когда насыщенный, переключатель называется на .

    Обеспечение достаточного базового тока возбуждения — ключевая проблема при использовании биполярных транзисторов в качестве переключателей. Транзистор обеспечивает усиление по току, позволяя переключать относительно большой ток в коллекторе гораздо меньшим током на вывод базы. Соотношение этих токов варьируется в зависимости от типа транзистора и даже для конкретного типа зависит от тока коллектора. В показанном примере схемы выключателя света резистор выбран так, чтобы обеспечить достаточный базовый ток, чтобы транзистор был насыщен.

    Идея коммутационной схемы состоит в том, чтобы как можно ближе имитировать идеальный переключатель, обладающий свойствами разомкнутой цепи в выключенном состоянии, короткого замыкания во включенном состоянии и мгновенного перехода между двумя состояниями. Параметры выбираются таким образом, что выход «выключено» ограничен токами утечки, слишком маленькими, чтобы повлиять на подключенную схему, сопротивление транзистора в состоянии «включено» слишком мало, чтобы повлиять на схему, а переход между двумя состояниями был достаточно быстрым. не иметь пагубного воздействия.

    Транзистор как усилитель

    Усилитель с общим эмиттером разработан таким образом , что небольшое изменение напряжения ( V _в ) изменяет малый ток через базу транзистора которого усиление тока в сочетании со свойствами средств цепи , что небольшие колебания в V _в производить большие изменения в V _из .

    Возможны различные конфигурации одинарных транзисторных усилителей, некоторые из которых обеспечивают усиление по току, некоторые по напряжению, а некоторые и то и другое.

    Огромное количество товаров, от мобильных телефонов до телевизоров , включает усилители для воспроизведения звука , радиопередачи и обработки сигналов . Первые усилители звука на дискретных транзисторах едва выдавали несколько сотен милливатт, но мощность и качество звука постепенно увеличивались по мере появления лучших транзисторов и развития архитектуры усилителя.

    Современные транзисторные усилители звука мощностью до нескольких сотен ватт распространены и относительно недороги.

    Сравнение с электронными лампами

    До того, как были разработаны транзисторы, вакуумные (электронные) лампы (или в Великобритании «термоэмиссионные клапаны» или просто «клапаны») были основными активными компонентами электронного оборудования.

    Преимущества

    Ключевые преимущества, которые позволили транзисторам заменить электронные лампы в большинстве приложений:

    • Отсутствие катодного нагревателя (который дает характерное оранжевое свечение ламп), снижение энергопотребления, устранение задержки при разогреве трубчатых нагревателей и иммунитет к катодному отравлению и истощению.
    • Очень маленький размер и вес, уменьшающие габариты оборудования.
    • Большое количество сверхмалых транзисторов можно изготавливать как одну интегральную схему .
    • Низкое рабочее напряжение, совместимое с батареями всего на несколько ячеек.
    • Обычно возможны схемы с большей энергоэффективностью. В частности, для маломощных приложений (например, усиления напряжения) потребление энергии может быть намного меньше, чем для ламп.
    • Доступны дополнительные устройства, обеспечивающие гибкость конструкции, включая схемы дополнительной симметрии , что невозможно с электронными лампами.
    • Очень низкая чувствительность к механическим ударам и вибрации, что обеспечивает физическую устойчивость и практически исключает вызванные ударами паразитные сигналы (например, микрофон в аудиоприложениях).
    • Не подвержен разрушению стеклянной оболочки, протечкам, выделению газов и другим физическим повреждениям.

    Ограничения

    Транзисторы имеют следующие ограничения:

    • Им не хватает более высокой подвижности электронов, обеспечиваемой вакуумом электронных ламп, что желательно для работы с высокой мощностью и высокой частотой — например, используемой в эфирном телевизионном вещании .
    • Транзисторы и другие твердотельные устройства подвержены повреждениям в результате очень коротких электрических и тепловых событий, включая электростатический разряд при обращении. Вакуумные лампы электрически намного прочнее.
    • Они чувствительны к излучению и космическим лучам (для аппаратов космических аппаратов используются специальные радиационно-стойкие микросхемы).
    • В аудиоприложениях транзисторам не хватает искажений на нижних гармониках — так называемого лампового звука, — который характерен для электронных ламп и некоторыми предпочитается.

    PNP	P-канал
    NPN	N-канал
    BJT		JFET

    Символы BJT и JFET

    Символы JFET и MOSFET

    Транзисторы классифицируются по

    • Структура: MOSFET (IGFET), BJT , JFET , биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), «другие типы».
    • полупроводниковый материал : металлоиды германий (впервые применены в 1947 г.) и кремний (впервые применены в 1954 г.) — в аморфной , поликристаллической и монокристаллической форме — соединения арсенида галлия (1966 г.) и карбида кремния (1997 г.), сплав кремний-германий ( 1989), аллотроп углеродного графена (исследования продолжаются с 2004 года) и т.д. (см. Полупроводниковый материал ).
    • Электрическая полярность (положительная и отрицательная): n – p – n , p – n – p (BJT), n-канал, p-канал (FET).
    • Максимальная мощность : низкая, средняя, ​​высокая.
    • Максимальная рабочая частота: низкая, средняя, ​​высокая, радио (RF), микроволновая частота (максимальная эффективная частота транзистора в схеме с общим эмиттером или общим истоком обозначается термином f_T , сокращение для переходной частоты — частота перехода — это частота, при которой транзистор дает единичный коэффициент усиления по напряжению)
    • Применение: переключатель, общего назначения, аудио, высокое напряжение , супер-бета, согласованная пара.
    • Физическая упаковка: сквозное отверстие металла через отверстие пластик, для поверхностного монтажа , решетки шарика сетки , силовых модулей (см Упаковка ).
    • Коэффициент усиления h_FE , β_F ( транзистор бета ) или g_m ( крутизна ).
    • температура: Транзисторы для экстремальных температур и традиционные температурные транзисторы (от -55 ° C до +150 ° C). Транзисторы с экстремальными температурами включают высокотемпературные транзисторы (выше +150 ° C) и низкотемпературные транзисторы (ниже -55 ° C). Высокотемпературные транзисторы, которые работают термостабильно до 220 ° C, могут быть разработаны с помощью общей стратегии смешивания взаимопроникающих полукристаллических сопряженных полимеров и изолирующих полимеров с высокой температурой стеклования.

    Следовательно, конкретный транзистор может быть описан как кремниевый, поверхностный, BJT, n – p – n, маломощный высокочастотный переключатель .

    Популярный способ запомнить, какой символ обозначает тип транзистора, — посмотреть на стрелку и как она устроена. В символе транзистора NPN стрелка не будет указывать на N. И наоборот, внутри символа PNP вы видите, что стрелка указывает на гордо.

    Полевой транзистор (FET)

    Полевой транзистор , который иногда называют однополярного транзистор , использует либо электронов (в п-канального полевого транзистора ) или отверстия (в р-канального полевого транзистора ) для проводимости. Четыре вывода полевого транзистора называются исток , затвор , сток и корпус ( подложка ). На большинстве полевых транзисторов корпус подключается к источнику внутри корпуса, и это предполагается в следующем описании.

    В полевом транзисторе ток сток-исток протекает через проводящий канал, который соединяет область истока с областью стока . Электропроводность изменяется электрическим полем, которое создается при приложении напряжения между выводами затвора и истока, следовательно, ток, протекающий между стоком и истоком, регулируется напряжением, приложенным между затвором и истоком. По мере увеличения напряжения затвор-исток ( V _GS ) ток сток-исток ( I _DS ) увеличивается экспоненциально для V _GS ниже порогового значения, а затем примерно с квадратичной скоростью ( I _DS ∝ ( V _GS — V _T ) 2 ) (где V _T — пороговое напряжение, при котором начинается ток стока) в области « ограниченного пространственным зарядом » выше порога. В современных устройствах, например на технологическом узле 65 нм, квадратичного поведения не наблюдается .

    Для низкого уровня шума при узкой полосе пропускания более высокое входное сопротивление полевого транзистора является преимуществом.

    Полевые транзисторы делятся на два семейства: полевые транзисторы с переходом ( JFET ) и полевые транзисторы с изолированным затвором (IGFET). IGFET более известен как полевой транзистор металл-оксид-полупроводник ( MOSFET ), что отражает его первоначальную конструкцию из слоев металла (затвор), оксида (изоляция) и полупроводника. В отличие от IGFET, затвор JFET образует p – n-диод с каналом, который находится между истоком и стоками. Функционально это делает n-канальный полевой транзистор JFET твердотельным эквивалентом триода для электронных ламп, который аналогично образует диод между своей сеткой и катодом . Кроме того, оба устройства работают в режиме истощения , оба имеют высокий входной импеданс и проводят ток под контролем входного напряжения.

    Металл-полупроводник (полевые транзисторы ПТШ ) являются JFETs , в которых смещен в обратном направлении р-п переход заменяется на металл-полупроводник . Они, а также HEMT (транзисторы с высокой подвижностью электронов или HFET), в которых для переноса заряда используется двумерный электронный газ с очень высокой подвижностью носителей, особенно подходят для использования на очень высоких частотах (несколько ГГц).

    Полевые транзисторы далее разделены на истощение режима и усиление режима типов, в зависимости от того, включен ли канал включен или выключен с нулевой затвор-исток. Для режима улучшения канал отключен при нулевом смещении, и потенциал затвора может «улучшить» проводимость. Для режима истощения канал включен при нулевом смещении, и потенциал затвора (противоположной полярности) может «истощить» канал, уменьшая проводимость. Для любого режима более положительное напряжение затвора соответствует более высокому току для n-канальных устройств и более низкому току для p-канальных устройств. Почти все полевые транзисторы JFET работают в режиме истощения, потому что диодные переходы будут направлять смещение и проводить, если бы они были устройствами расширенного режима, в то время как большинство IGFET-транзисторов относятся к типам расширенного режима.

    Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET)

    Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (МОП — транзистор, МОП — транзистор, или МОП ПТ), также известный как транзистор металл-оксид-кремний (МОП — транзистор или МОП), представляет собой тип полевого транзистора , который изготовленных с помощью контролируемого окисления в виде полупроводника , обычно кремния . Он имеет изолированный затвор , напряжение которого определяет проводимость устройства. Эта способность изменять проводимость в зависимости от приложенного напряжения может использоваться для усиления или переключения электронных сигналов . MOSFET на сегодняшний день является наиболее распространенным транзистором и основным строительным блоком самой современной электроники . MOSFET составляет 99,9% всех транзисторов в мире.

    Биполярный переходной транзистор (BJT)

    Биполярные транзисторы названы так потому, что они проводят с использованием как основных, так и неосновных носителей . Биполярный транзистор с переходным соединением, первый тип транзистора, который будет производиться серийно, представляет собой комбинацию двух переходных диодов и состоит из тонкого слоя полупроводника p-типа, зажатого между двумя полупроводниками n-типа (n – p – n транзистор), или тонкий слой полупроводника n-типа, зажатый между двумя полупроводниками p-типа (p – n – p транзистор). Эта конструкция создает два p – n-перехода : переход база-эмиттер и переход база-коллектор, разделенные тонкой областью полупроводника, известной как базовая область. (Два переходных диода, соединенные вместе без общей промежуточной полупроводниковой области, не образуют транзистор).

    Биполярные транзисторы имеют три вывода, соответствующие трем слоям полупроводника: эмиттер , база и коллектор . Они полезны в усилителях, поскольку токами на эмиттере и коллекторе можно управлять с помощью относительно небольшого тока базы. В n − p − n-транзисторе, работающем в активной области, переход эмиттер-база смещен в прямом направлении ( электроны и дырки рекомбинируют на переходе), а переход база-коллектор смещен в обратном направлении (электроны и дырки образуются в удаляются от перехода), а электроны инжектируются в базовую область. Поскольку база узкая, большая часть этих электронов диффундирует в смещенный в обратном направлении переход база-коллектор и унесется в коллектор; возможно, одна сотая электронов рекомбинирует в базе, что является доминирующим механизмом в токе базы. Кроме того, поскольку база слегка легирована (по сравнению с областями эмиттера и коллектора), скорость рекомбинации низка, что позволяет большему количеству носителей диффундировать через область базы. Контролируя количество электронов, которые могут покинуть базу, можно контролировать количество электронов, попадающих в коллектор. Ток коллектора примерно в β (коэффициент усиления по току общего эмиттера) умножается на ток базы. Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений.

    В отличие от полевого транзистора (см. Ниже), BJT представляет собой устройство с низким входным импедансом. Кроме того, по мере увеличения напряжения база-эмиттер ( V _BE ) ток база-эмиттер и, следовательно, ток коллектор-эмиттер ( I _CE ) возрастают экспоненциально в соответствии с моделью диода Шокли и моделью Эберса-Молла . Из-за этой экспоненциальной зависимости BJT имеет более высокую крутизну, чем FET.

    Биполярные транзисторы можно заставить проводить под действием света, потому что поглощение фотонов в базовой области генерирует фототок, который действует как базовый ток; ток коллектора примерно в β раз больше фототока. Устройства, предназначенные для этой цели, имеют в корпусе прозрачное окошко и называются фототранзисторами .

    Использование полевых МОП-транзисторов и биполярных транзисторов

    MOSFET на сегодняшний день является наиболее широко используемых транзисторов для обоих цифровых схем , а также аналоговых схем , что составляет 99,9% от всех транзисторов в мире. Биполярный плоскостной транзистор (BJT) ранее был наиболее часто используемый транзистор в 1950 — х до 1960 — х годов. Даже после того, как полевые МОП-транзисторы стали широко доступны в 1970-х годах, БЮТ оставался предпочтительным транзистором для многих аналоговых схем, таких как усилит

    Характеристики биполярных транзисторов

    Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

    Рис.7. Схема включения транзистора с ОЭ.

    Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные. На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

    параметров транзистора с ОЭ.

    Входная статическая характеристика – это зависимость входного тока I_Б от входного напряжения U_БЭ при постоянном выходном напряжении U_КЭ. Для схемы с общим эмиттером:

    Поскольку ветви входной статической характеристики для U_КЭ> 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U₁ (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

    Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I_К от выходного напряжения U_КЭ при постоянном входном токе I_Б. Для схемы включения с общим эмиттером:

    Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I_Э.

    Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R_К, за счёт которого изменение входного тока или напряжения U_ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U_ВЫХ = U_КЭ (Рис.10).

    Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

    Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I_Б от входного напряжения U_БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

    Поскольку в статическом режиме для U_КЭ> 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а).

    Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

    Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U_КЭ от выходного тока I_К при фиксированных значениях входного тока I_Б (Рис.11б):

    Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А, В на Рис.11б.

    Координаты точки А [U_КЭ = 0; I_K = Е_К⁄ R_К ] – на оси I_K.

    Координаты точки В [I_K = 0; U_КЭ = Е_К] – на оси U_КЭ.

    Координаты точки Р [U_0К; I_0K] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

    Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

    Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

    В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

    Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I_К0, а напряжение U_КЭ = E_К.

    Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

    Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I_{К доп}, U_КЭдоп, P_{К доп} (Рис.11б) и I_{Б нас}, U_БЭдоп(Рис.11а) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

    Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.

    Узнать еще:

    Устройство и маркировка биполярного транзистора

    Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми приборами и с этой статьи начнем разбираться с транзистором. В этой части мы познакомимся с устройством и маркировкой биполярных транзисторов.

    Полупроводниковые транзисторы бывают двух видов: биполярные и полевые.
    В отличие от полевых транзисторов биполярные получили наиболее широкое применение в радиоэлектронике, а чтобы эти транзисторы как-то отличать друг от друга, биполярные принято называть просто — транзисторами.

    1. Устройство и обозначение биполярного транзистора.

    Схематично биполярный транзистор можно представить в виде пластины полупроводника с чередующимися областями разной электропроводности, которые образуют два p-n перехода. Причем обе крайние области обладают электропроводностью одного типа, а средняя область электропроводностью другого типа, и где каждая из областей имеет свой контактный вывод.

    Если в крайних областях полупроводника преобладает дырочная электропроводность, а в средней области электронная, то такой полупроводниковый прибор называют транзистором структуры p-n-p.

    А если в крайних областях преобладает электронная электропроводность, а в средней дырочная, то такой транзистор имеет структуру n-p-n.

    А теперь возьмем схематичную часть транзистора и прикроем любую крайнюю область, например, область коллектора, и посмотрим на результат: у нас остались открытыми область базы и эмиттера, то есть получился полупроводник с одним p-n переходом или обычный полупроводниковый диод. О диодах можно почитать здесь.

    Если же мы прикроем область эмиттера, то останутся открытыми области базы и коллектора — и также получается диод.

    Отсюда возникает вывод, что биполярный транзистор можно представить в виде двух диодов с одной общей областью, включенных навстречу друг другу. При этом общая (средняя) область называется базой, а примыкающие к базе области коллектором и эмиттером. Это и есть три электрода транзистора.

    Примыкающие к базе области делают неодинаковыми: одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходил ввод (инжекция) носителей заряда в базу, а другую область делают таким-образом, чтобы в нее эффективно осуществлялся вывод (экстракция) носителей заряда из базы.

    область транзистора, назначением которой является ввод (инжекция) носителей зарядов в базу называется эмиттером, и соответствующий p-n переход эмиттерным.

    область транзистора, назначением которой является вывод (экстракция) носителей из базы, называется коллектором, и соответствующий p-n переход коллекторным.

    То есть получается, что эмиттер вводит электрические заряды в базу, а коллектор их забирает.

    Различие в обозначениях транзисторов разных структур на принципиальных схемах заключается лишь в направлении стрелки эмиттера: в p-n-p транзисторах она обращена в сторону базы, а в n-p-n транзисторах – от базы.

    2. Технология изготовления биполярных транзисторов.

    Технология изготовления транзисторов ни чем не отличается от технологии изготовления диодов. Еще в начальный период развития транзисторной техники биполярные транзисторы делали только из германия методом вплавления примесей, и такие транзисторы называют сплавными.

    Берется кристалл германия и в него вплавляются кусочки индия.
    Атомы индия диффузируют (проникают) в тело кристалла германия, образуя в нем две области p-типа – коллектор и эмиттер. Между этими областями остается очень тонкая (несколько микрон) прослойка полупроводника n-типа, которую именуют базой. А чтобы защитить кристалл от влияния света и механического воздействия его помещают в металлостеклянный, металлокерамический или пластмассовый корпус.

    На картинке ниже показано схематическое устройство и конструкция сплавного транзистора, собранного на металлическом диске диаметром менее 10 мм. Сверху к этому диску приварен кристаллодержатель, являющийся внутренним выводом базы, а снизу диска – ее наружный проволочный вывод.

    Внутренние выводы коллектора и эмиттера приварены к проводникам, которые впаяны в стеклянные изоляторы и служат внешними выводами этих электродов. Металлический колпак защищает прибор от влияния света и механических повреждений. Так устроены наиболее распространенные маломощные низкочастотные германиевые транзисторы из серии МП37 — МП42.

    В обозначении буква «М» говорит, что корпус транзистора холодносварной, буква «П» — это первая буква слова «плоскостной», а цифры означают порядковый заводской номер транзистора. Как правило, после заводского номера ставят буквы А, Б, В, Г и т.д., указывающие на разновидность транзистора в данной серии, например, МП42Б.

    С появлением новых технологий научились обрабатывать кристаллы кремния, и уже на его основе были созданы кремниевые транзисторы, получившие наиболее широкое применение в радиотехнике и на сегодняшний день практически полностью вытеснившие германиевые приборы.

    Кремниевые транзисторы могут работать при более высоких температурах (до 125ºС), имеют меньшие обратные токи коллектора и эмиттера, а также более высокие пробивные напряжения.

    Основным методом изготовления современных транзисторов является планарная технология, а транзисторы, выполненные по этой технологии, называют планарными. У таких транзисторов p-n переходы эмиттер-база и коллектор-база находятся в одной плоскости. Суть метода заключается в диффузии (вплавлении) в пластину исходного кремния примеси, которая может находиться в газообразной, жидкой или твердой фазе.

    Как правило, коллектором транзистора, изготовленного по такой технологии, служит пластина исходного кремния, на поверхность которой вплавляют близко друг от друга два шарика примесных элементов. В процессе нагрева до строго определенной температуры происходит диффузия примесных элементов в пластину кремния.

    При этом один шарик образует в пластине тонкую базовую область, а другой эмиттерную. В результате в пластине исходного кремния образуются два p-n перехода, образующие транзистор структуры p-n-p. По такой технологии изготавливают наиболее распространенные кремниевые транзисторы.

    Также для изготовления транзисторных структур широко используются комбинированные методы: сплавление и диффузия или сочетание различных вариантов диффузии (двусторонняя, двойная односторонняя). Возможный пример такого транзистора: базовая область может быть диффузионная, а коллектор и эмиттер – сплавные.

    Использование той или иной технологии при создании полупроводниковых приборов диктуется различными соображениями, связанными с техническими и экономическими показателями, а также их надежностью.

    3. Маркировка биполярных транзисторов.

    На сегодняшний день маркировка транзисторов, согласно которой их различают и выпускают на производствах, состоит из четырех элементов.
    Например: ГТ109А, ГТ328, 1Т310В, КТ203Б, КТ817А, 2Т903В.

    Первый элемент — буква Г, К, А или цифра 1, 2, 3 – характеризует полупроводниковый материал и температурные условия работы транзистора.

    1. Буква Г или цифра 1 присваивается германиевым транзисторам;
    2. Буква К или цифра 2 присваивается кремниевым транзисторам;
    3. Буква А или цифра 3 присваивается транзисторам, полупроводниковым материалом которых служит арсенид галлия.

    Цифра, стоящая вместо буквы, указывает на то, что данный транзистор может работать при повышенных температурах: германий – выше 60ºС, а кремний – выше 85ºС.

    Второй элемент – буква Т от начального слова «транзистор».

    Третий элемент – трехзначное число от 101 до 999 – указывает порядковый заводской номер разработки и назначение транзистора. Эти параметры даны в справочнике по транзисторам.

    Четвертый элемент – буква от А до К – указывает разновидность транзисторов данной серии.

    Однако до сих пор еще можно встретить транзисторы, на которых стоит более ранняя система обозначения, например, П27, П213, П401, П416, МП39 и т.д. Такие транзисторы выпускались еще в 60 — 70-х годах до введения современной маркировки полупроводниковых приборов. Пусть эти транзисторы устарели, но они все еще пользуются популярностью и применяются в радиолюбительских схемах.

    В рамках этой части статьи мы рассмотрели лишь общие методы изготовления транзисторных структур, чтобы начинающему радиолюбителю было легче понять внутреннее устройство транзистора.

    На этом мы закончим, а в следующей части проведем несколько опытов и на их основе сделаем практические выводы о работе биполярного транзистора.
    Удачи!

    1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
    2. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.

    Биполярный транзистор — определение биполярного транзистора по The Free Dictionary

    Лекция-7 Биполярные переходные транзисторы (БЮТ), часть I, продолжение

    Биполярные переходные транзисторы

    Биполярные переходные транзисторы Физическая структура и символы NPN Эмиттер (E) n-тип Эмиттерная область p-типа Базовая область n-тип Коллекторная область Коллектор (C) B C Эмиттер-база-переход (EBJ) База (B) (a) Коллектор-база

    Основы микроэлектроники

    Основы микроэлектроники h2 Почему микроэлектроника? h3 Основы физики полупроводников h4 Диодные схемы h5 Физика биполярных преобразователей H5 Биполярные усилители H6 Физика МОП-транзисторов H7 MOS

    БИПОЛЯРНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

    ГЛАВА 3 БИПОЛЯРНЫЕ ПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Биполярный переходной транзистор, BJT, представляет собой цельный кремниевый элемент с двумя встречно расположенными P-N переходами.Однако это не может быть выполнено с двумя независимыми друг от друга

    Схемы усилителя BJT

    Схемы усилителя JT Поскольку мы разработали различные модели для сигналов D (простая модель большого сигнала) и сигналов A (модель малого сигнала), анализ схем JT выполняется следующим образом: Анализ смещения D:

    Схемы усилителя BJT

    Схема усилителя JT Поскольку мы разработали различные модели для сигналов D (простая модель большого сигнала) и сигналов A (модель малого сигнала), анализ схем JT выполняется следующим образом: Анализ смещения D:

    Основы биполярных переходных транзисторов

    Кеннет А.Kuhn 29 сентября 2001 г., ред. 1 Введение Биполярный транзистор с переходным соединением (BJT) — это трехслойный полупроводниковый прибор с конструкцией NPN или PNP. Обе конструкции имеют одинаковые

    Боб Йорк. Основы транзисторов — БЮТ

    ob York Transistor asics — Полярные переходные транзисторы (JT) JT Ключевые моменты: JT — это устройства с управлением по току, очень JT имеет базу, коллектор и эмиттер. Базовый ток управляет током коллектора

    Транзисторные усилители

    Physics 3330 Эксперимент № 7, осень 1999 г. Транзисторные усилители Назначение Целью этого эксперимента является разработка биполярного транзисторного усилителя с коэффициентом усиления по напряжению минус 25.Усилитель должен принимать вход

    Биполярные транзисторные усилители

    Physics 3330 Эксперимент № 7 Осень 2005 г. Усилители на биполярных транзисторах Назначение Целью этого эксперимента является создание усилителя на биполярных транзисторах с коэффициентом усиления минус 25. Усилитель должен быть

    Характеристики и усилители BJT

    Характеристики и усилители БЮТ Мэтью Беклер beck0778 @ umn.edu EE2002 Lab Section 003 2 апреля 2006 г. Резюме Как основной компонент в конструкции усилителя, свойства биполярного переходного транзистора

    V-I ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА

    V-I ХАРАКТЕРИСТИКИ DIODE RAVITEJ UPPU 1 1. Цель Мы пытаемся увидеть соотношение напряжения и тока в диодах и сравнить разницу между различными типами диодов, включая стабилитрон. 2. Теория диода

    Полевые транзисторы (FET)

    Полевые транзисторы (FET) Литература: Hayes & Horowitz (стр. 142-162 и 244-266), Rizzoni (главы 8 и 9) В полевом транзисторе (FET) ширина проводящего канала в полупроводнике и ,

    Рисунок 1: Усилитель с общей базой.

    Базовая схема усилителя с общей базой На рис. 1 показана принципиальная схема одноступенчатого усилителя с общей базой. Задача состоит в том, чтобы найти коэффициент усиления по напряжению слабого сигнала, входное сопротивление и выход

    Регулируемый источник питания постоянного тока

    442 17 Принципы электропитания постоянного тока, регулируемого электроникой 17.1 Обычные источники питания постоянного тока 17.2 Важные термины 17.3 Регулируемый источник питания 17.4 Типы регуляторов напряжения 17.5 Стабилитрон

    Диоды и транзисторы

    Диоды Для чего мы используем диоды? Диоды и транзисторы защищают схемы, ограничивая напряжение (ограничение и фиксирование), превращают переменный ток в постоянный (выпрямитель напряжения), умножители напряжения (например, двойное входное напряжение)

    Модели транзисторов.ампель

    Модели транзисторов Обзор основ транзисторов Простая модель усилителя тока Пример транзисторного переключателя Пример усилителя с общим эмиттером Транзистор как преобразователь — модель Эберс-Молла Прочее

    Рисунок 1. Модель диодной схемы.

    Полупроводниковые приборы. Нелинейные приборы. Диоды. Введение. Диод представляет собой двухконтактный нелинейный прибор, вольт-амперная характеристика которого, помимо нелинейного поведения, также зависит от полярности.

    Полевые транзисторы и шум

    Physics 3330 Эксперимент № 8 Осень 2005 г. Полевые транзисторы и шум Цель В этом эксперименте мы вводим полевые транзисторы. Мы измерим выходные характеристики полевого транзистора, а затем построим

    5. Измерение магнитного поля.

    H 5.Измерение магнитного поля 5.1. Введение Магнитные поля играют важную роль в физике и технике. В этом эксперименте проверяются три различных метода измерения

    Эксперимент 3, закон Ома

    Эксперимент № 3, Закон Ома 1 Назначение Физика 182 — Лето 2013 г. — Эксперимент № 3 1 Для исследования характеристик напряжения, -, углеродного резистора при комнатной температуре и температуре жидкого азота,

    Базовые схемы операционных усилителей

    Базовые схемы операционных усилителей Мануэль Толедо INEL 5205 Instrumentation 3 августа 2008 г. Введение Операционный усилитель (для краткости ОУ или ОУ), возможно, является наиболее важным строительным блоком для конструкции

    Примеры применения

    ISHAY ПОЛУПРОВОДНИКИ www.vishay.com Оптопары и твердотельные реле Замечание по применению 2 ВВЕДЕНИЕ Оптопары используются для изоляции сигналов для защиты и безопасности между сейфом и потенциально

    Глава 19 Операционные усилители

    Глава 19 Операционные усилители Операционный усилитель, или операционный усилитель, является основным строительным блоком современной электроники. Операционные усилители появились еще на заре электронных ламп, но стали обычным явлением только

    Цепи смещения биполярных транзисторов

    Схемы смещения биполярных транзисторов Этот рабочий лист и все связанные файлы находятся под лицензией Creative Commons Attribution License, версия 1.0. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/1.0/,

    III. Кинетика реакции

    III. Кинетика реакций Лекция 13: Уравнение Батлера-Фольмера Заметки Чанг Хуна Лима (и MZB) 1. Межфазное равновесие На лекции 11 скорость реакции R для общей реакции Фарадеевской полуячейки составляла

    Операционный усилитель — IC 741

    Операционный усилитель — IC 741 Tabish, декабрь 2005 г. Цель: изучить работу операционного усилителя 741 путем проведения следующих экспериментов: (a) Измерение входного тока смещения (b) Входное смещение

    Создание усилителя AMP

    Создание усилителя AMP Введение Примерно за 80 лет стало возможным усиливать разницу напряжений и увеличивать соответствующую мощность, сначала с помощью электронных ламп, использующих электроны из горячей нити накала;

    Усилитель с общим эмиттером

    Усилитель с общим эмиттером A.Перед тем, как мы начнем Как следует из названия этой лабораторной работы, эта лабораторная работа посвящена разработке усилителя с общим эмиттером, и на данном этапе лабораторного курса, на мой взгляд, преждевременно. Дополнительная информация

    Основы микроэлектроники

    Основы микроэлектроники. Ч2 Почему именно микроэлектроника? Ch3 Основы физики полупроводников Ch4 Диодные схемы Ch5 Физика биполярных транзисторов CH5 Биполярные усилители CH6 Физика МОП-транзисторов

    Резисторы последовательно и параллельно

    Последовательные и параллельные резисторы Bởi: OpenStaxCollege Большинство схем имеет более одного компонента, называемого резистором, который ограничивает поток заряда в цепи.Мера этого предела для потока заряда

    Дополнительная информация Биполярный транзистор

    : типы и его применение

    Изобретение биполярного переходного транзистора (BJT) было сделано в 1948 году. Транзисторы являются основными электронными устройствами, которые образуются из комбинации диодов, которые называются биполярными. переходной транзистор. Они совершили революцию в современной электронной системе. Эти изобретения транзисторов являются основными причинами замены электронных ламп.Отдельные диоды перехода p-n, соединенные спина к спине, приводят к образованию транзистора.

    Это трехконтактные устройства. Эмиттер, база и коллектор называются выводами. Базовая область — это общий вывод для базы и коллектора. Эти сформированные транзисторы входят в состав различных типов полупроводников. Это заставляет транзистор работать либо в полностью включенном, либо в выключенном режиме. Это проложило путь для транзистора, позволяющего применять переключение.

    Что такое биполярный переходной транзистор?

    Два диода с переходом p- и n-типа соединены таким образом, что образуется транзистор, определяемый как транзистор с биполярным переходом. Эти клеммы отвечают за движение носителей заряда, что приводит к протеканию тока.

    Типы BJT

    В основном транзисторы с биполярным переходом классифицируются на основе их контакта, будь то точечный контакт или переход.Но в наши дни чаще всего используются транзисторы с переходами. Эти транзисторы с биполярным переходом образуются из-за комбинации полупроводниковых диодов, классифицируемых на основе p-типа и n-типа подключенных.

    Если два p-типа соединены с an-типом в середине, это определяется как P-N-P транзистор. Если два n-типа соединены с p-типом в середине, он определяется как транзистор N-P-N. Оба эти N-P-N и P-N-P подпадают под категорию BJT или называются типами BJT.

    Есть еще один тип BJT, который называется гетеробиполярным транзистором с переходом в этом другом материале полупроводников, предпочтительным в зависимости от того, какие разные переходы в транзисторе разработаны. Таким образом классифицируются транзисторы с биполярным переходом.

    Обозначение биполярного переходного транзистора

    Условные обозначения транзисторов N-P-N и P-N-P следующие:

    Единственное различие между транзисторами P-N-P и N-P-N состоит в том, что движение тока, на основе которого показаны стрелки.

    Принцип работы BJT

    Три терминала, присутствующие в BJT, отвечают за формирование соединений эмиттера и базы, а также коллектора и базы. Как считается, соединение базы и эмиттера находится в прямом смещении, а соединение коллектор-база — в обратном смещении. Из-за прямого смещения у базы и эмиттера поток основных носителей идет от эмиттера к базе.

    Поскольку область в основании имеет концентрацию легкого легирования, не все основные носители объединяются, некоторые из них имеют тенденцию течь к коллектору.Таким образом генерируются токи на эмиттере, базе и коллекторе. Генерируемый ток эмиттера является суммой токов базы и коллектора. Величина генерируемого базового тока меньше по сравнению с токами, генерируемыми на эмиттере и коллекторе.

    Принцип работы остается одинаковым для транзисторов P-N-P и N-P-N, но единственное различие между ними заключается в наличии основных носителей заряда. В P-N-P большинство носителей — дырки, а в N-P-N большинство носителей — электроны.

    Эквивалентная схема BJT

    Поскольку обсуждение транзисторов очень ясно показывает, что формирование транзистора происходит из-за задействования двух диодов, подключенных обратно к его задней части. Следовательно, эти диоды приводят к образованию двух соответствующих переходов, что дополнительно связано с наличием в нем клемм.

    P-N-P Представление эквивалентной схемы транзистора (BJT)

    Следовательно, схема BJT может быть представлена ​​двумя диодами с переходом P-N.Это эквивалентная схема BJT.

    Смещение биполярного переходного транзистора

    Смещение биполярного переходного транзистора — это не что иное, как приложение внешнего источника напряжения к соответствующим переходам, участвующим в нем. Это смещение приводит к основному процессу транзистора, на основе которого классифицируются области.

    (1) Область отсечки

    Поскольку оба перехода транзисторов не имеют внешнего источника питания.Следовательно, нет очевидного источника видимого напряжения. Сформированная область определяется как область отсечения.

    (2) Активная область

    При этом один переход должен поддерживаться в режиме прямого смещения, а другой — в режиме обратного смещения. Этот тип области называется активной областью. В этом случае q-точка будет в центре кривой характеристик, так что она наиболее часто используется во время операций.

    (3) Область насыщения

    В этом случае оба перехода должны находиться в прямом режиме, то есть в режиме высокой проводимости.Этот тип области называется областью насыщения.

    При использовании транзистора в качестве переключателя предпочтительны режим отсечки и режимы насыщения. То есть он должен работать либо в полностью включенном, либо в выключенном режиме. Следовательно, эта концепция Q-точки в активной области и в других режимах, чтобы сделать ее стабильной, требует смещения.

    (1) Фиксированное смещение

    Это смещение также называется базовым смещением. В этом типе смещения соединение одного источника питания будет поддерживаться между базой и коллектором с помощью двух резисторов.Если значения сопротивления изменяются на его основе, можно регулировать ток на клеммной базе. Таким образом, можно также контролировать Q-точку.

    (2) Смещение коллектор-база

    В этом случае резистор базы собирается поперек коллектора, а не подключается к источнику питания. Этот тип смещения предпочтителен во время стабилизации точки Q относительно изменений температуры.

    Если ток коллектора имеет тенденцию к увеличению, может произойти падение напряжения на резисторе, приводящее к уменьшению значения напряжения на резисторе базы.Таким образом, ток на базе уменьшается, одновременно снижается значение тока на коллекторе. Это снизит влияние температуры на точку Q, сделав ее стабильной.

    (3) Self-Bias

    Этот тип смещения также называется смещением делителя напряжения. Этот тип предвзятости используется чаще всего. Резисторы выполнены в виде схемы делителя потенциала. Следовательно, на базовый вывод подается равное или фиксированное напряжение.Таким образом классифицируются методы смещения транзисторов.

    Характеристики биполярного переходного транзистора

    Характеристики BJT зависят от того, какие конфигурации он классифицирует, будь то общий эмиттер, общая база и общий коллектор.

    Таким образом сравниваются характеристики различных конфигураций биполярного переходного транзистора.

    Коэффициент усиления по напряжению

    Коэффициент усиления по напряжению определяется как отношение выходных напряжений к приложенному входному напряжению.Это усиление напряжения зависит от генерируемых токов в зависимости от его конфигурации и подключенных к нему резисторов.

    Current Gain

    Отношение токов, генерируемых на выходе, к входному значению тока, называемое усилением по току конкретного транзистора. Наибольший коэффициент усиления по току получается в конфигурации с общим коллектором. При очень меньшем значении усиления по напряжению самые высокие коэффициенты усиления по току достигаются в конфигурации с общим коллектором.

    Похожие публикации:

    1. Какой кабель использовать для проводки в квартире
    2. Кольцо маркер для кабелей желтый что это
    3. Какой самый неэффективный вид модуляции почему
    4. От чего зависит энергия электрона в атоме
    Похожие публикации:

    1. Другое название проводников из которых состоит конденсатор
    2. Как делятся по признаку скорости компьютерные сети
    3. Как добавить сайт в поисковик гугл
    4. Щипцы для снятия изоляции с проводов как пользоваться