Označení bipolárních tranzistorů na schématech

bipolární tranzistor- tříelektrodová polovodičová součástka, jeden z typů tranzistorů. V polovodičové struktuře, 2 p-n křižovatka a přenos náboje v zařízení je prováděn nosiči 2 typů - elektrony a otvory. Proto se zařízení nazývalo „bipolární“.

Používá se v elektronických zařízeních ke zvýšení generování elektrických oscilací a jako spínací prvek proudu, například v elektronických logických obvodech.

Elektrody jsou připojeny ke třem po sobě jdoucím vrstvám polovodiče se střídavým typem vedení nečistot. Podle tohoto způsobu střídání n-p-n a p-n-p tranzistory ( n (negativní) - elektronický typ vodivosti nečistot, p (pozitivní) - díra).

Činnost bipolárního tranzistoru je na rozdíl od tranzistoru s efektem pole založena na přenosu dvou typů nábojů současně, jejichž nositeli jsou elektrony a díry (od slova "bi" - "dva"). Schéma tranzistoru je na druhém obrázku.

Elektroda připojená ke střední vrstvě se nazývá základna, se nazývají elektrody spojené s vnějšími vrstvami emitor a kolektor. Z hlediska vodivosti jsou vrstvy emitoru a kolektoru nerozeznatelné. Ale v praxi se při výrobě tranzistorů pro zlepšení elektrických parametrů zařízení výrazně liší v míře dopování nečistotami. Emitorová vrstva je silně dotována, kolektorová vrstva je dotována lehce, což zvyšuje přípustné kolektorové napětí. Hodnota průrazného zpětného napětí přechodu emitoru není kritická, protože obvykle v elektronické obvody tranzistory pracují s dopředně předpjatým emitorovým p-n přechodem, navíc silné dopování vrstvy emitoru poskytuje lepší injekci menšinových nosičů do základní vrstvy, což zvyšuje koeficient přenosu proudu v obvodech se společnou bází. Kromě toho je plocha kolektorového p-n přechodu při výrobě výrazně větší než plocha emitorového přechodu, což poskytuje lepší sběr menšinových nosičů ze základní vrstvy a zlepšuje koeficient prostupu.

Pro zvýšení rychlosti (frekvenčních parametrů) bipolárního tranzistoru je třeba tloušťku základní vrstvy ztenčit, protože tloušťka základní vrstvy mimo jiné určuje dobu „letu“ (difúze v zařízeních bez unášení ) menšinových nosičů, ale s úbytkem tloušťky základny omezující kolektorové napětí, takže tloušťka základní vrstvy se volí na základě rozumného kompromisu.

Zařízení a princip činnosti

První tranzistory používaly jako polovodičový materiál kovové germanium. V současnosti (2015) jsou vyráběny převážně z monokrystalického křemíku a monokrystalického arsenidu galia. Vzhledem k velmi vysoké mobilitě nosičů v arsenidu galia mají zařízení na něm založená vysokou rychlost a používají se v ultrarychlých logických obvodech a v obvodech mikrovlnných zesilovačů.

Bipolární tranzistor se skládá ze tří různě dopovaných polovodičových vrstev: emitoru E(E), báze B(B) a potrubí C(NA). V závislosti na střídání typu vodivosti těchto vrstev existují n-p-n(emitor − n-polovodič, báze − p- polovodič, kolektor - n- polovodičové) a p-n-p tranzistory. Ke každé z vrstev jsou připojeny vodivé neusměrňovací kontakty.

Základní vrstva je umístěna mezi vrstvou emitoru a kolektoru a je lehce dotována, proto má vysoký elektrický odpor. Celková kontaktní plocha báze-emitor je výrazně menší než kontaktní plocha kolektor-báze (to se děje ze dvou důvodů – velká plocha přechodu kolektor-báze zvyšuje pravděpodobnost zachycení menších nosičů náboje od báze ke kolektoru, a protože přechod kolektor-základna je obvykle povolen v provozním režimu s reverzním předpětím, při provozu v přechodu kolektoru se uvolňuje hlavní část tepla odváděného zařízením, zvětšení plochy přispívá k lepšímu odvodu tepla z přechodu kolektoru ), proto je skutečný univerzální bipolární tranzistor asymetrické zařízení (je technicky nepraktické prohodit emitor a kolektor a získat podobný originální bipolární tranzistor - inverzní zapojení).

V aktivním zesilovacím režimu činnosti je tranzistor zapnut tak, že jeho přechod emitoru je dopředně předpjatý (otevřený) a přechod kolektoru je zpětně předpětí (uzavřen).

Pro jistotu zvažte práci n-p-n tranzistor, všechny argumenty se opakují přesně stejným způsobem pro případ p-n-p tranzistor, s nahrazením slova "elektrony" "otvory" a naopak, stejně jako s nahrazením všech napětí opačnými znaménky. V n-p-n V tranzistoru procházejí elektrony, hlavní nosiče náboje v emitoru, otevřeným přechodem emitor-báze (jsou vstřikovány) do oblasti báze. Některé z těchto elektronů se rekombinují s většinou nosičů náboje v bázi (díry). Avšak vzhledem k tomu, že báze je vyrobena velmi tenká a relativně slabě dotovaná, většina elektronů injektovaných z emitoru difunduje do oblasti kolektoru, protože doba rekombinace je relativně dlouhá. Silný elektrické pole Reverzně vychýlený kolektorový přechod zachycuje minoritní nosiče ze základny (elektrony) a přenáší je do kolektorové vrstvy. Kolektorový proud se tak prakticky rovná proudu emitoru, až na malou rekombinační ztrátu v bázi, která tvoří proud báze ( I e \u003d I b + I to).

Koeficient α vztahující se k proudu emitoru a proudu kolektoru ( I k \u003d α I e) je nazýván koeficient přenosu proudu emitoru. Číselná hodnota koeficientu α je 0,9-0,999. Čím vyšší je koeficient, tím efektivněji tranzistor přenáší proud. Tento koeficient závisí jen málo na napětí kolektor-báze a báze-emitor. Proto je v širokém rozsahu provozních napětí kolektorový proud úměrný proudu báze, faktor úměrnosti je β = α / (1 - α), od 10 do 1000. Malý proud báze lze tedy řídit pomocí a mnohem větší kolektorový proud.

Provozní režimy bipolárního tranzistoru

Napětí na zářiči základna, kolektor ()	Zaujatost přechod základový emitor pro typ n-p-n	Zaujatost přechod základna-sběratel pro typ n-p-n	Režim pro typ n-p-n
	Přímo	zvrátit	normální aktivní režim
	Přímo	Přímo	saturační režim
	zvrátit	zvrátit	cutoff režim
	zvrátit	Přímo	inverzní aktivní režim
Napětí na zářiči základna, kolektor ()	Zaujatost přechod základový emitor pro typ p-n-p	Zaujatost přechod základna-sběratel pro typ p-n-p	Režim pro typ p-n-p
	zvrátit	Přímo	inverzní aktivní režim
	zvrátit	zvrátit	cutoff režim
	Přímo	Přímo	saturační režim
	Přímo	zvrátit	normální aktivní režim

Normální aktivní režim

Spojení emitor-báze je v dopředném směru (otevřeno) a spojení kolektor-báze je v opačném směru (zavřeno):

U EB > 0; U KB< 0 (pro tranzistor n-p-n typ), pro tranzistor p-n-p stav typu bude vypadat U EB<0; U KB > 0.

Inverzní aktivní režim

Emitorový přechod je obrácený a kolektorový je dopředný: U KB > 0; U EB< 0 (pro tranzistor n-p-n typ).

Režim saturace

Oba pn přechody jsou vychýleny dopředu (oba jsou otevřené). Pokud emitor a kolektor okres-přechody se připojují k externím zdrojům v propustném směru, tranzistor bude v režimu saturace. Difúzní elektrické pole přechodů emitoru a kolektoru bude částečně utlumeno elektrické pole generované externími zdroji Web a UKb. V důsledku toho se sníží potenciální bariéra, která omezuje difúzi hlavních nosičů náboje, a začne pronikání (injekce) děr z emitoru a kolektoru do báze, to znamená, že proudy budou protékat emitorem a kolektorem tranzistor, nazývaný saturační proud emitoru ( já E. us) a sběratel ( já K. nás).

Saturační napětí kolektor-emitor(U KE. us) je úbytek napětí na otevřeném tranzistoru (sémantický analog R SI. OTEVŘENO tranzistory s efektem pole). Podobně saturační napětí báze-emitor(U BE us) je úbytek napětí mezi bází a emitorem na otevřeném tranzistoru.

Režim cutoff

V tomto režimu obojí pn přechody jsou obrácené. Režim cutoff odpovídá podmínce U EB<0, U KB<0.

bariérový režim

V tomto režimu základna tranzistor od stejnosměrný proud zkratovaný nebo přes malý odpor k jeho kolektor a v kolektor nebo v emitor tranzistorový obvod sepne rezistor, který nastavuje proud tranzistorem. V takovém zahrnutí je tranzistor druh diody zapojené do série s odporem nastavujícím proud. Takové kaskádové obvody se vyznačují malým počtem součástek, dobrým vysokofrekvenčním oddělením, velkým rozsahem provozních teplot a necitlivostí na parametry tranzistoru.

Spínací schémata

Každý tranzistorový spínací obvod je charakterizován dvěma hlavními indikátory:

• aktuální zisk já ven / já vstup
• Vstupní impedance R v = U v / já vstup

Schéma zapojení se společnou základnou

Schéma spínání se společnou základnou.

Společný základní zesilovač.

• Ze všech tří konfigurací má nejmenší vstupní a největší výstupní impedanci. Má proudové zesílení blízké jednotce a velké napěťové zesílení. Neinvertuje fázi signálu.
• já ven / já v = já do / já e = α [α<1].
• Vstupní impedance R v = U v / já v = U eb / já E.

Vstupní odpor (vstupní impedance) zesilovacího stupně se společnou bází je malý, závisí na proudu emitoru, s nárůstem proudu klesá a nepřesahuje jednotky - stovky ohmů u stupňů s nízkým výkonem, protože vstupní obvod stupně je otevřený emitorový přechod tranzistoru.

Výhody

• Dobrá teplota a široký frekvenční rozsah, protože Millerův efekt je v tomto obvodu potlačen.
• Vysoké povolené napětí kolektoru.

Nevýhody společného základního schématu

• Malý proudový zisk rovný α, protože α je vždy o něco menší než 1
• Nízká vstupní impedance

Spínací obvod se společným emitorem

Spínací obvod se společným emitorem.
já ven = já na
já v = já b
U v = U miláček
U ven = U ke.

• Aktuální zisk: já ven / já v = já do / já b = já do /( já e-I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Vstupní impedance: R v = U v / já v = U miláček / já b.

Výhody

• Velký proudový zisk.
• Velké napěťové zesílení.
• Největší zvýšení výkonu.
• Vystačíte si s jedním napájecím zdrojem.
• Výstupní střídavé napětí je invertováno vzhledem ke vstupu.

Nedostatky

• Má menší teplotní stabilitu. Frekvenční vlastnosti takového zařazení jsou výrazně horší ve srovnání s obvodem se společnou bází, což je způsobeno Millerovým efektem.

Společný kolektorový okruh

Schéma spínání se společným kolektorem.
já ven = já uh
já v = já b
U v = U bq
U ven = U ke.

• Aktuální zisk: já ven / já v = já E/ já b = já e /( já e-I k) = 1/(1-a) = p [p>>1].
• Vstupní impedance: R v = U v / já v = ( U bae + U ke)/ já b.

Výhody

• Velká vstupní impedance.
• Nízká výstupní impedance.

Nedostatky

• Napěťový zisk je o něco menší než 1.

Obvod s takovým zahrnutím se často nazývá " sledovač emitoru».

hlavní parametry

• Součinitel aktuálního převodu.
• vstupní impedance.
• výstupní vodivost.
• Reverzní proud kolektor-emitor.
• Čas zapnutí.
• Mezní frekvence základního převodového poměru proudu.
• Reverzní kolektorový proud.
• Maximální povolený proud.
• Mezní frekvence koeficientu přenosu proudu v obvodu se společným emitorem.

Parametry tranzistorů se dělí na vlastní (primární) a sekundární. Vlastní parametry charakterizují vlastnosti tranzistoru bez ohledu na schéma jeho zařazení. Jako hlavní vlastní parametry jsou přijímány následující:

• proudový zisk α;
• střídavý odpor emitoru, kolektoru a báze r uh, r na, r b, což jsou:
  • r e - součet odporů oblasti emitoru a přechodu emitoru;
  • r k je součet odporů oblasti kolektoru a přechodu kolektoru;
  • r b - příčný odpor základny.

Použití náhradního obvodu bipolárního tranzistoru h- parametry.

Sekundární parametry jsou různé pro různé tranzistorové spínací obvody a vzhledem ke své nelinearitě jsou platné pouze pro nízké frekvence a malé amplitudy signálu. Pro sekundární parametry bylo navrženo několik systémů parametrů a jim odpovídajících ekvivalentních obvodů. Hlavní jsou smíšené (hybridní) parametry, označené písmenem " h».

Vstupní impedance- odpor tranzistoru vůči vstupnímu střídavému proudu při zkrat u východu. Změna vstupního proudu je výsledkem změny vstupního napětí, bez vlivu zpětné vazby od výstupního napětí.

h 11 = U m1 / já m1, at U m2 = 0.

Faktor zpětné vazby napětí ukazuje, jaké procento výstupu střídavé napětí se přenáší na vstup tranzistoru díky zpětné vazbě v něm. Ve vstupním obvodu tranzistoru není střídavý proud a ke změně vstupního napětí dochází pouze v důsledku změny výstupního napětí.

h 12 = U m1 / U m2, at já m1 = 0.

Aktuální převodní poměr(proudové zesílení) udává zesílení střídavého proudu při nulovém zatěžovacím odporu. Výstupní proud závisí pouze na vstupním proudu bez vlivu výstupního napětí.

h 21 = já m2 / já m1, at U m2 = 0.

Výstupní vodivost- vnitřní vedení pro střídavý proud mezi výstupními svorkami. Výstupní proud se mění pod vlivem výstupního napětí.

h 22 = já m2 / U m2, at já m1 = 0.

Vztah mezi střídavými proudy a tranzistorovými napětími je vyjádřen rovnicí:

U m1 = h 11 já m1 + h 12 U m2; já m2 = h 21 já m1 + h 22 U m2.

V závislosti na spínacím obvodu tranzistoru se k digitálním indexům h-parametrů přidávají písmena: "e" - pro obvod OE, "b" - pro obvod OB, "k" - pro obvod OK.

Pro schéma OE: já m1 = já mb, já m2 = já mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. Například pro toto schéma:

h 21e = já mk / já mb = p.

Pro schéma OB: já m1 = já mě, já m2 = já mk, U m1 = U já-b, U m2 = U mk-b.

Vlastní parametry tranzistoru souvisí s h-parametry, například pro schéma OE:

;

;

;

.

Zvýšená frekvence špatný vliv začne na tranzistoru pracovat kapacita kolektorového přechodu C k. Kapacitní odpor klesá, proud odporem zátěže se zmenšuje a následně i zisky α a β. Kapacitní odpor přechodu emitoru C e také klesá, je však posunuto malým přechodovým odporem r a ve většině případů je lze ignorovat. Navíc s rostoucí frekvencí dochází k dalšímu poklesu koeficientu β v důsledku zpoždění fáze kolektorového proudu od fáze proudu emitoru, což je způsobeno setrvačností procesu pohybu nosičů přes základnu z emitoru. přechodu ke kolektorovému přechodu a setrvačnosti procesů akumulace a resorpce náboje v bázi. Nazývají se frekvence, při kterých koeficienty α a β klesnou o 3 dB mezní frekvence koeficientu proudového převodu pro schémata OB a OE.

V pulzním režimu začíná impuls kolektorového proudu se zpožděním o dobu zpoždění τc vzhledem ke vstupnímu proudovému impulsu, což je způsobeno konečným časem průchodu nosičů bází. Jak se nosiče hromadí v základně, kolektorový proud se během trvání přední τf zvyšuje. Včas tranzistor se nazývá τ on = τ c + τ f.

Technologie výroby tranzistorů

• Difuzní slitina.

Aplikace tranzistorů

• Zesilovače, zesilovací stupně
• Demodulátor (detektor)
• Invertor (log. prvek)
• Mikroobvody na tranzistorové logice (viz.

Svého času přišly nahradit tranzistory vakuové trubky. Bylo to dáno tím, že mají menší rozměry, vysokou spolehlivost a nižší výrobní náklady. Nyní bipolární tranzistoryjsou základními prvky ve všech zesilovacích obvodech.

Jedná se o polovodičový prvek s třívrstvou strukturou, který tvoří dva přechody elektron-díra. Proto lze tranzistor reprezentovat jako dvě diody zády k sobě. V závislosti na tom, jaké budou hlavní nosiče náboje, existují p-n-p a n-p-n tranzistory.

Základna- polovodičová vrstva, která je základem konstrukce tranzistoru.

emitor tzv. polovodičová vrstva, jejíž funkcí je vstřikování nosičů náboje do základní vrstvy.

Kolektor nazývaná polovodičová vrstva, jejíž funkcí je shromažďovat nosiče náboje, které prošly základní vrstvou.

Zářič obsahuje zpravidla mnohem větší počet základních nábojů než základna. Toto je základní podmínka pro činnost tranzistoru, protože v tomto případě při dopředném předpětí přechodu emitoru bude proud určován hlavními nosiči emitoru. Emitor bude moci plnit svou hlavní funkci – vstřikování nosičů do základní vrstvy. Proud zpětného emitoru se obvykle snaží být co nejmenší. Zvýšení většiny nosičů zářiče je dosaženo použitím vysoké koncentrace nečistot.

Základna je vyrobena co nejtenčí. To souvisí s životností nábojů. Nosiče náboje musí překročit základnu a co nejméně se rekombinovat s hlavními nosiči základny, aby dosáhly kolektoru.

Aby kolektor mohl plněji sbírat nosiče, které prošly základnou, snaží se ji rozšířit.

Princip činnosti tranzistoru

Zvažte p-n-p příklad tranzistor.

Při nepřítomnosti vnějších napětí se mezi vrstvami vytvoří potenciální rozdíl. Na přechodech jsou zřízeny potenciální závory. Navíc, pokud je počet otvorů v emitoru a kolektoru stejný, pak budou potenciální bariéry stejně široké.

Aby tranzistor správně fungoval, musí být přechod emitoru předpjatý dopředu a přechod kolektoru obrácený.. To bude odpovídat aktivnímu režimu tranzistoru. K vytvoření takového spojení jsou potřeba dva zdroje. Zdroj s napětím Ue je připojen kladným pólem k emitoru a záporným pólem k bázi. Zdroj s napětím Uk je připojen záporným pólem ke kolektoru a kladným k bázi. A Ue< Uк.

Působením napětí Ue se přechod emitoru posune v propustném směru. Jak je známo, když je přechod elektron-díra dopředně vychýlen, je vnější pole nasměrováno opačně k přechodovému poli, a proto je redukuje. Přechodem začnou procházet hlavní nosiče, v emitoru jsou to otvory 1-5 a v bázi elektrony 7-8. A protože počet děr v emitoru je větší než počet elektronů v bázi, je proud emitoru způsoben hlavně jimi.

Proud emitoru je součtem děrové složky proudu emitoru a elektronické složky báze.

Vzhledem k tomu, že užitečná je pouze komponenta s otvorem, snaží se, aby elektronická součást byla co nejmenší. Kvalitativní charakteristikou přechodu emitoru je vstřikovací poměr.

Snaží se přiblížit koeficient vstřiku 1.

Otvory 1-5, které prošly do základny, se hromadí na hranici přechodu emitoru. Vzniká tak vysoká koncentrace děr v blízkosti emitoru a nízká koncentrace v blízkosti kolektorového přechodu, v důsledku čehož začíná difúzní pohyb děr z emitoru do kolektorového přechodu. Ale v blízkosti přechodu kolektoru koncentrace otvorů zůstává nulová, protože jakmile otvory dosáhnou přechodu, jsou urychleny jeho vnitřním polem a jsou extrahovány (vtahovány) do kolektoru. Elektrony jsou tímto polem odpuzovány.

Zatímco díry procházejí základní vrstvou, rekombinují se s elektrony tam umístěnými, například jako díra 5 a elektron 6. A protože díry neustále přicházejí, vytvářejí přebytečný kladný náboj, proto musí také přicházet elektrony, které jsou přitahovány přes základní svorku a tvoří základní proud Ibr. To je důležitá podmínka pro činnost tranzistoru – koncentrace děr v základně by měla být přibližně stejná jako koncentrace elektronů. Jinými slovy musí být zajištěna elektrická neutralita základny.

Počet děr, které dosáhly kolektoru, je menší než počet děr, které opustily emitor, o počet rekombinovaných děr v základně. to znamená, Kolektorový proud se liší od proudu emitoru o proud báze.

Odtud pochází převodní koeficient dopravců, které se také snaží přiblížit 1.

Kolektorový proud tranzistoru se skládá z děrové složky Icr a kolektorového zpětného proudu.

Zpětný kolektorový proud vzniká v důsledku zpětného předpětí kolektorového přechodu, proto se skládá z menšinových nosičů díry 9 a elektronu 10. Právě proto, že zpětný proud je tvořen menšinovými nosiči, závisí pouze na proces tepelného generování, to znamená na teplotě. Proto se často nazývá tepelný proud.

Kvalita tranzistoru závisí na velikosti tepelného proudu, čím je menší, tím je tranzistor lepší.

Kolektorový proud je připojen k emitoru aktuální převodový poměr.

Proudy v tranzistoru mohou být reprezentovány následovně

Základní poměr pro tranzistorové proudy

Kolektorový proud lze vyjádřit jako

Z výše uvedeného lze usoudit, že Změnou proudu v obvodu báze-emitor můžeme řídit výstupní proud kolektoru. Kromě toho nepatrná změna proudu báze způsobí významnou změnu proudu kolektoru.

V závislosti na principu činnosti a konstrukčních prvcích jsou tranzistory rozděleny do dvou velkých tříd: bipolární a pole.

bipolární tranzistor- Jedná se o polovodičové zařízení se dvěma interagujícími pn přechody a třemi nebo více závěry.

Polovodičový krystal tranzistoru se skládá ze tří oblastí se střídajícími se typy elektrické vodivosti, mezi kterými jsou dvě r-p-přechod. Střední oblast je obvykle vyrobena velmi tenká (zlomky mikronu), takže r-p přechody jsou od sebe blízko.

V závislosti na pořadí střídání oblastí polovodičů s různé typy elektrická vodivost rozlišit tranzistory r-p-r a p-r-p- typy . Zjednodušené struktury a UGO odlišné typy tranzistory jsou znázorněny na obrázku 1.23, A, b.

Obrázek 1.23 - Struktura a UGO bipolárních tranzistorů

Bipolární tranzistor je nejběžnějším aktivním polovodičovým prvkem. Křemík se v současnosti používá jako hlavní materiál pro výrobu bipolárních tranzistorů. V tomto případě se vyrábějí především tranzistory p-r-p-typu, ve kterém jsou hlavními nosiči náboje elektrony s pohyblivostí dvakrát až třikrát vyšší než pohyblivost děr.

Řízení hodnoty proudu tekoucího ve výstupním obvodu (v obvodu kolektoru nebo emitoru) bipolárního tranzistoru se provádí pomocí proudu v obvodu řídící elektroda - báze. základna volala průměrný vrstva ve struktuře tranzistoru. Vnější vrstvy se nazývají emitor (vypustit, vysunout) a kolektor (shromáždit). Koncentrace nečistot (a následně i hlavních nosičů náboje) v emitoru je mnohem vyšší než v bázi a vyšší než v kolektoru. Oblast emitoru je tedy nejvíce nízký odpor.

Pro ilustraci fyzikálních procesů v tranzistoru použijeme zjednodušenou strukturu tranzistoru p-r-p- typ znázorněný na obrázku 1.24. Abychom pochopili princip fungování tranzistoru, je nesmírně důležité to vzít v úvahu r-p Tranzistorové přechody spolu silně interagují. To znamená, že proud jednoho přechodu silně ovlivňuje proud druhého a naopak.

V aktivním režimu (kdy tranzistor funguje jako zesilovací prvek) jsou k tranzistoru připojeny dva napájecí zdroje tak, že emitor přechod byl přesunut vpřed, a kolektor - v opaku(Obrázek 1.24). Působením elektrického pole zdroje E BE přes přechod emitoru protéká dostatečně velký dopředný proud já E, kterou zajišťuje především injekce elektrony z emitoru do báze Vstřikování děr z báze do emitoru bude bezvýznamné vzhledem k výše uvedenému rozdílu v koncentracích atomů nečistot.

Obrázek 1.24 - Fyzikální procesy v bipolárním tranzistoru

Elektronový tok poskytující proud já E přes přechodový emitor - základna je znázorněna na obrázku 1.24 širokou šipkou. Část elektronů vstřikovaných do základní oblasti (1 ... 5 %) rekombinovat s hlavními nosiči náboje pro tuto oblast - dírami, tvořícími proud ve vnějším obvodu základny já B. Vzhledem k velkému rozdílu v koncentracích hlavních nosičů náboje v emitoru a bázi, nekompenzované elektrony vstřikované do báze se pohybují hluboko do ní směrem ke kolektoru.

V blízkosti kolektoru r-p- přechodové elektrony jsou vystaveny zrychlujícímu se elektrickému poli tento obrácený zkreslený přechod. A protože jsou v databázi menšími nosiči, stává se to odvolání (těžba ) elektrony do oblasti kolektoru. V kolektoru se elektrony stávají hlavními nosiči náboje a snadno dosáhnou vývodu kolektoru a vytvoří proud ve vnějším obvodu tranzistoru.

Takto, proud přes svorku báze tranzistoru je určen dvěma opačně směrovanými složkami proudu. Pokud by v bázi nebyly žádné rekombinační procesy, pak by se tyto proudy navzájem rovnaly a výsledný proud báze by byl roven nule. Ale protože rekombinační procesy jsou přítomny v každém skutečném tranzistoru, emitorový proud pn-přechod o něco větší než kolektorový proud pn-přechod.

Pro kolektorový proud můžeme napsat následující rovnici

, (1.9)

kde Svatý- koeficient přenosu proudu statického emitoru;

Já KBO- zpětný proud kolektorového přechodu (tepelný proud) (u tranzistorů s nízkým výkonem při normální teplotě je to 0,015 ... 1 μA).

V praxi je koeficient přenosu proudu statického emitoru a Svatý v závislosti na typu tranzistoru může nabývat hodnot v rozsahu 0,95 ... 0,998.

Proud emitoru v tranzistoru je číselně největší a rovná se

, (1.11)

kde je součinitel přenosu statického proudu báze v obvodu se společným emitorem (v referenční literatuře se používá označení h 21E, obvykle nabývá hodnoty b Svatý= 20 ... 1000 v závislosti na typu a výkonu tranzistoru).

Z výše uvedeného vyplývá, že tranzistor je řízený prvek, protože hodnota jeho kolektorového (výstupního) proudu závisí na hodnotách emitorových a bázových proudů.

Na závěr úvahy o principu činnosti bipolárního tranzistoru je třeba poznamenat, že odpor reverzně zatíženého kolektorového přechodu (když je na něj aplikováno zpětné napětí) je velmi vysoký (stovky kiloohmů). Proto v kolektorovém obvodu můžete zahrnout zatěžovací odpory s velmi velký odpor , čímž se hodnota kolektorového proudu prakticky nemění. V souladu s tím bude v zátěžovém obvodu přidělen významný výkon.

Odpor přechodu emitoru s dopředným předpětím je naopak velmi malý (desítky až stovky ohmů). Proto při téměř stejné hodnoty emitorových a kolektorových proudů, výkon spotřebovaný v obvodu emitoru je výrazně menší než výkon uvolněný v obvodu zátěže. To naznačuje Tranzistor je polovodičové zařízení, které zesiluje výkon..

Technologie výroby bipolárních tranzistorů se může lišit: fúze, difúze , epitaxe. To do značné míry určuje vlastnosti zařízení. Typické struktury vyráběných bipolárních tranzistorů různé metody jsou znázorněny na obrázku 1.25. Konkrétně na obrázku 1.25 A zobrazená struktura plovoucí, na obrázku 1.25, b - epitaxně-difúze, na obrázku 1.25, v - rovinný, na obrázku 1.25, G - meziplanární tranzistory.

Obrázek 1.25 - Způsoby výroby bipolárních tranzistorů

Provozní režimy a tranzistorové spínací obvody

Pro každého r-p- tranzistorový přechod může být napájen jak dopředným, tak zpětným napětím. V souladu s tím se rozlišují čtyři režimy činnosti bipolárního tranzistoru: režim odříznout, režim nasycení, aktivní režim a inverzní režimu.

Aktivní režim je zajištěn přivedením stejnosměrného napětí do přechodu emitoru a zpětného napětí do přechodu kolektoru (hlavní provozní režim tranzistoru). Tento režim odpovídá maximální hodnotě koeficientu přenosu proudu emitoru a zajišťuje minimální zkreslení zesíleného signálu.

V inverzní režim připojený ke spoji kolektoru dopředné napětí, k emitoru - naopak (a Svatý*min; velmi zřídka používané).

V režimu nasycení obě křižovatky jsou pod dopředným předpětím. V tomto případě výstupní proud nezávisí na vstupním proudu a je určen pouze parametry zátěže.

V režimu odříznout oba spoje jsou reverzně zaujaté. Výstupní proud se blíží nule.

Režimy saturace a cutoff se používají současně klíčová schémata(když tranzistor pracuje v režimu klíče).

Při použití tranzistoru v elektronických zařízeních jsou potřeba dva piny pro napájení vstupního signálu a dva piny pro připojení zátěže (odstranění výstupního signálu). Protože tranzistor má pouze tři piny, jeden z nich musí být společný pro vstupní a výstupní signály.

V závislosti na tom, který výstup tranzistoru je společný při připojení zdroje signálu a zátěže, existují tři schémata spínání tranzistorů: s společná základna(OB) (obrázek 1.26, A); S společný emitor(OE) (Obrázek 1.26, b); S společný sběratel(OK) (Obrázek 1.26, v).

V těchto schématech zdroje konstantní napětí a rezistory poskytují provozní režimy tranzistorů pro stejnosměrný proud, to znamená potřebné hodnoty napětí a počátečních proudů. Vstupní AC signály jsou generovány zdroji a dovnitř. Mění emitorový (základní) proud tranzistoru a podle toho i kolektorový proud. Přírůstky proudu kolektoru (obrázek 1.26, A, b) a proud emitoru (obrázek 1.26, v) vytvoří na rezistorech R K a R E napěťové přírůstky, což jsou výstupní signály a ven.

a BC

Obrázek 1.26 - Tranzistorové spínací obvody

Při určování spínacího obvodu tranzistoru je nutné vzít v úvahu skutečnost, že odpor zdroje stejnosměrného napětí pro střídavý proud se blíží nule.

Proudově-napěťové charakteristiky tranzistoru

Vlastnosti bipolárního tranzistoru jsou nejúplněji popsány pomocí statických charakteristik proud-napětí. V tomto případě se rozlišují vstupní a výstupní I–V charakteristiky tranzistoru. Protože všechny tři proudy (báze, kolektor a emitor) v tranzistoru jsou úzce propojeny, je při analýze činnosti tranzistoru nutné použít vstupní i výstupní I–V charakteristiky.

Každý spínací obvod tranzistoru má své vlastní proudově-napěťové charakteristiky, které jsou funkční závislostí proudů tranzistorem na přiložených napětích. Vzhledem k nelineární povaze těchto závislostí jsou obvykle prezentovány v grafické podobě.

Tranzistor je charakterizován jako čtyřpól vstup a víkend statické I–V charakteristiky, ukazující v tomto pořadí závislost vstupního proudu na vstupním napětí (při konstantní hodnotě výstupního napětí tranzistoru) a výstupního proudu na výstupním napětí (při konstantním vstupním proudu tranzistoru ).

Obrázek 1.27 ukazuje statické I–V charakteristiky r-p-r-tranzistor zapojený podle schématu s OE (v praxi nejpoužívanější).

a b

Obrázek 1.27 - Statická IV charakteristika bipolárního tranzistoru zapojeného podle obvodu s OE

Zadejte kód CVC (obrázek 1.27, A) je podobná přímé větvi CVC diody. Představuje závislost proudu já B od napětí U BE U CE, tedy závislost formy

. (1.12)

Z obrázku 1.27 A Je vidět, že čím vyšší napětí U CE, tím více doprava je větev vstupního CVC posunuta. Je to proto, že jak se zvyšuje zpětné předpětí, U CE dochází ke zvýšení výšky potenciální bariéry kolektoru R-P-přechod. A protože v tranzistoru kolektor a emitor R-P-přechody silně interagují, což zase vede ke snížení proudu báze při konstantním napětí U BE.

Statické IV charakteristiky, uvedené na obrázku 1.27, A odebíráno při normální teplotě (20°C). Jak teplota stoupá, tyto charakteristiky se posunou doleva, a když klesají, posunou se doprava. Je to dáno tím, že s rostoucí teplotou roste vlastní elektrická vodivost polovodičů.

Pro výstupní obvod tranzistoru zapojeného podle OE obvodu je sestavena rodina výstupních I–V charakteristik (obrázek 1.27, b). To je způsobeno skutečností, že kolektorový proud tranzistoru závisí nejen (a ne tolik, jak je vidět z obrázku) na napětí přivedeném na kolektorový přechod, ale také na proudu báze. Charakteristikou výstupního proudu a napětí pro obvod s OE je tedy závislost proudu já K od napětí U CE při pevném proudu já B, tedy závislost formy

. (1.13)

Každá z výstupních I–V charakteristik bipolárního tranzistoru se na začátku vyznačuje prudkým nárůstem výstupního proudu já K s rostoucím výstupním napětím U CE a poté, jak se napětí dále zvyšuje, mírná změna proudu.

Na výstupní I–V charakteristice tranzistoru lze rozlišit tři oblasti, které odpovídají různým provozním režimům tranzistoru: nasycení, plocha odříznout a oblast aktivní práce(získat) , odpovídající aktivnímu stavu tranzistoru, když ½ U BE½ > 0 a ½ U CE½> 0.

Vstupní a výstupní statické I–V charakteristiky tranzistorů se používají při grafově analytickém výpočtu kaskád obsahujících tranzistory.

Statické vstupní a výstupní IV charakteristiky bipolárního tranzistoru R-P-R-typ pro spínací obvod s OB je znázorněn na obrázku 1.28, A a 1,28, b respektive.

a b

Obrázek 1.28 - Statická IV charakteristika bipolárního tranzistoru pro spínací obvod s ABOUT

Pro obvod s ASI vstupní statickou I–V charakteristikou se nazývá proudová závislost TJ od napětí U EB při pevné hodnotě napětí U KB, tedy závislost formy

. (1.14)

Výstupní statická I–V charakteristika pro obvod s OB se nazývá proudová závislost já K od napětí U KB při pevném proudu TJ, tedy závislost formy

. (1.15)

Na obrázku 1.28 b lze rozlišit dvě oblasti, které odpovídají dvěma režimům činnosti tranzistoru: aktivní režim ( U KB< 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим nasycení(U KB > 0 a kolektorový přechod je předpjatý).

Matematický model bipolárního tranzistoru

K dnešnímu dni je známo mnoho elektrických modelů bipolárních tranzistorů. V systémech automatizace návrhu (CAD) elektronických prostředků se nejčastěji používají: Ebers-Mollovy modely, zobecněný Hummel-Poonův model řízení nabíjení, Linvilleův model, stejně jako Giacolleto místní modely lineárních přírůstků ve tvaru P a T .

Uvažujme jako příklad jednu z variant Ebers-Mollova modelu (obrázek 1.29), která odráží vlastnosti tranzistorové struktury v lineárním režimu provozu a v režimu cutoff.

Obrázek 1.29 - Ekvivalentní obvod bipolárního tranzistoru (model Ebers-Moll)

Obrázek 1.29 používá zápis: r e, r b, r do- odpor oblastí emitoru, báze a kolektoru tranzistoru a kontaktů k nim; já b , já do - napětím řízené na vstupním přechodu zdroje proudu odrážející přenos proudu tranzistorem; R eb- svodový odpor přechodu báze-emitor; R kb - svodový odpor spoje základna-kolektor. Zdrojový proud já b souvisí s napětím na přechodu vztahem

, (1.15)

kde Já BO- saturační proud přechodu báze-emitor (reverzní proud);

y na= (0,3 ... 1,2) V - rozdíl potenciálu kontaktu (závisí na typu polovodičového materiálu);

t- empirický koeficient.

Včetně paralelního spojení se základnou-emitor bariéra kapacita C bae a difúze kapacita C de přechod. Hodnota C bae odhodlaný zpětné napětí na přejezdu a n a právně na něm závislý

, (1.16)

kde С 0 b - přenosová kapacita při a n = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - koeficient v závislosti na rozložení nečistot v oblasti báze tranzistoru.

Difúzní kapacita je funkcí proudu já b, protékající přechodem a je určen výrazem

kde ALE - koeficient v závislosti na vlastnostech přechodu a jeho teplotě.

Obdobně je modelován přechod kolektor-báze, rozdíl je pouze v tom, že se bere v úvahu pouze bariérová kapacita přechodu

, (1.18)

protože když tranzistor pracuje v lineárním režimu a v režimu přerušení kolektorového proudu, je tento přechod uzavřen. Výraz pro proud zdroj řízeného kolektorového proudu, modelující zesilovací vlastnosti tranzistoru, má tvar

, (1.19)

kde b Svatý- koeficient statického proudového přenosu báze tranzistoru v obvodu se společným emitorem.

Parametry Ebers-Mollova modelu lze získat buď výpočtem na základě analýzy fyzikálně-topologického modelu tranzistoru, nebo změřit experimentálně. Statické parametry modelu se nejsnáze určují při stejnosměrném proudu.

Globální elektrický model diskrétního bipolárního tranzistoru s přihlédnutím k indukčnosti a kapacitě jeho výstupů je na obrázku 1.30.

Obrázek 1.30 - Globální model bipolárního tranzistoru

Základní parametry bipolárního tranzistoru

Při určování proměnných složek proudů a napětí (tedy při analýze elektrické obvody na střídavý proud) a za předpokladu, že je tranzistor v aktivním režimu, je často reprezentován jako lineární kvadripól (obrázek 1.31, A). Názvy (fyzikální podstata) vstupních a výstupních proudů a napětí takové čtyřsvorkové sítě závisí na spínacím obvodu tranzistoru.

a b

Obrázek 1.31 - Znázornění bipolárního tranzistoru lineárním kvadripólem

Pro spínací obvod tranzistoru se společným emitorem jsou proudy a napětí kvadripólu (obrázek 1.31, b) odpovídají následujícím tranzistorovým proudům a napětím:

- i 1 - proměnná složka proudu báze;

- u 1 - proměnná složka napětí mezi bází a emitorem;

- i 2 - proměnná složka kolektorového proudu;

- u 2 - proměnná složka napětí mezi kolektorem a emitorem.

Tranzistor se pohodlně popisuje pomocí tzv h-možnosti. V tomto případě má soustava rovnic kvadripólu v maticovém tvaru tvar

. (1.20)

Kurzy h ij(tj h-parametry) definovat empiricky, využívající postupně zkratový a klidový režim na vstupu a výstupu kvadripólu.

Podstata h- parametry pro spínací obvod tranzistoru s OE jsou následující:

- - vstupní odpor tranzistoru pro proměnný signál se zkratem na výstupu;

- - výstupní vodivost tranzistoru při volnoběhu na vstupu;

- - koeficient zpětné vazby napětí při chodu naprázdno na vstupu;

- - koeficient proudového přenosu tranzistoru při zkratu na výstupu.

Pomocí tranzistorového ekvivalentního obvodu můžete najít závislost h-parametry z parametrů tranzistoru.

Zejména lze ukázat, že pro spínací obvod tranzistoru s OE probíhají následující vztahy:

Ve výše uvedených vzorcích následující možnosti tranzistory:

- r b- ohmický odpor základního tělesa. U skutečných tranzistorů dosahuje hodnot 100 ... 200 Ohmů;

- r e- odpor R-P-přechod, jehož hodnota závisí na provozním režimu tranzistoru a mění se v aktivním režimu ve zlomcích - desítkách ohmů;

B- rozdílový faktor základní proudový přenos, určený z výrazu

; (1.25)

Odpor kolektorové oblasti, určený z výrazu

, (1.26)

kde r do- rozdílový odpor kolektorového přechodu (obvykle ve zlomku - desítky MΩ), určený z výrazu

(1.27)

Přidáno 21. října 2016 v 17:45

Kapitola 2 - Teorie polovodičových zařízení

Bipolární tranzistor byl tak pojmenován, protože jeho činnost zahrnuje pohyb dvou nosičů náboje: elektronů a děr ve stejném krystalu. První bipolární tranzistor vynalezli v Bellových laboratořích William Shockley, Walter Brattain a John Bardeen koncem roku 1947, a proto se objevil až v roce 1948. Mnoho textů se tedy liší datem vynálezu. Brattain vyrobil germaniový bodový tranzistor, který měl určitou podobnost s bodovou diodou. Během měsíce měl Shockley praktičtější přechodový bipolární tranzistor, který popíšeme níže. V roce 1956 byli oceněni za vynález tranzistoru Nobelova cena ve fyzice.

Bipolární tranzistor zobrazený na obrázku níže (a) je NPN třívrstvý polovodičový sendvič s emitorem a kolektorem na koncích a bází mezi nimi. Je to, jako by se k dvouvrstvé diodě přidala třetí vrstva. Pokud by to byl ale jediný požadavek, stačila by dvojice diod back-to-back. A je mnohem jednodušší vytvořit dvojici diod umístěných „zády k sobě“. Ale základem výroby bipolárního tranzistoru je udělat střední vrstvu, základnu, co nejtenčí, aniž by došlo ke zkratování vnějších vrstev, emitoru a základny. Význam tenké základní plochy nelze přehnaně zdůrazňovat.

Polovodičové zařízení na obrázku níže (a) má dva spoje, mezi emitorem a bází a mezi bází a kolektorem, a dvě oblasti vyčerpání.

(a) Bipolární tranzistor NPN.
(b) Aplikace zpětného předpětí na spojení základna-kolektor.

Je obvyklé aplikovat zpětné předpětí na přechod báze-kolektor bipolárního tranzistoru, jak je znázorněno na obrázku výše (b). Všimněte si, že se tím zvětšuje šířka oblasti vyčerpání. Zpětné předpětí pro většinu tranzistorů se může pohybovat od několika voltů do desítek voltů. V současné době není v kolektorovém okruhu žádný jiný proud než svodový proud.

Na obrázku níže (a) byl do obvodu mezi emitor a základnu přidán další zdroj napětí. Typicky aplikujeme dopředné předpětí na spojení emitor-báze, které překoná potenciální bariéru 0,6 V. To je podobné předpětí polovodičové diody. Zdroj napětí musí překročit 0,6V, aby většinové nosiče (elektrony pro NPN) začaly proudit z emitoru do báze a staly se menšinovými nosiči náboje v polovodiči typu P.

Pokud by oblast základny byla tlustá, jako u dvojice diod zády k sobě, veškerý proud tekoucí do základny by procházel vedením základny. V našem příkladu NPN tranzistoru se elektrony opouštějící emitor do základny spojí s otvory v základně, čímž se vytvoří prostor pro vytvoření dalších děr na (+) vývodu baterie připojené k základně, jakmile elektrony odejdou.

Základna je však vyrobena tenká. Několik většinových nosičů v emitoru zavedených jako menšinové nosiče do základny se ve skutečnosti rekombinují. Viz obrázek níže (b). Několik elektronů zavedených emitorem do báze tranzistoru NPN spadne do otvorů. Také několik elektronů, které vstoupí do základny, bude proudit přímo základnou ke kladnému pólu baterie. Většina toku elektronů emitoru difunduje přes tenkou základnu do kolektoru. Malá změna proudu báze má navíc za následek velkou změnu proudu kolektoru. Pokud napětí báze klesne pod asi 0,6 voltu pro křemíkový tranzistor, přestane proudit. vysoký proud emitor-kolektor.

Kolektor-báze Reverzní bipolární bipolární NPN bipolární tranzistor: (a) Přidání dopředného předpětí ke spoji báze-emitor má za následek (b) nízký proud báze a vysoké proudy emitoru a kolektoru.

Na obrázku níže se blíže podíváme na současný mechanismus zesílení. Máme zvětšený pohled na přechody bipolárního tranzistoru NPN s důrazem na tenkou oblast báze. Ačkoli to není znázorněno, předpokládáme, že jsou připojeny externí zdroje napětí: (1) dopředně předpjatý přechod emitor-báze, (2) zpětně předpjatý přechod báze-kolektor. Elektrony, většinové nosiče, vstupují do emitoru z (-) vývodu baterie. Proud báze odpovídá elektronům opouštějícím svorku báze k (+) svorce baterie. To je však malý proud ve srovnání s proudem emitoru.

Elektrony obsažené v základně:
(a) Ztraceno v důsledku rekombinace se základními otvory.
(b) Odchozí základní výstup.
(c) Nejvíce difunduje z emitoru přes tenkou základnu do oblasti vyčerpání kolektoru základny,
a (d) jsou rychle zachyceny silným elektrickým polem oblasti vyčerpání do kolektoru.

Většinové nosiče uvnitř emitoru typu N jsou elektrony, které se při vstupu do báze typu P stanou menšinovými nosiči. Tyto elektrony dopadající na tenkou základnu typu P mají čtyři možnosti. Několik elektronů (na obrázku (a) výše) vstupuje do otvorů v základně, což umožňuje proudění proudu do svorky základny z (+) svorky baterie. To není znázorněno, ale otvory v základně mohou difundovat do emitoru a kombinovat se s elektrony, což umožňuje proudění proudu přes vedení základny. Několik (b) protéká základnou k (+) svorce baterie, jako by základna byla pouze odpor. Obě skupiny elektronů (a) a (b) přispívají velmi málo k proudu báze. U tranzistorů s nízkým výkonem je základní proud typicky 1 % proudu emitoru nebo kolektoru. Většina emitorových elektronů difunduje přes tenkou základnu (c) do oblasti ochuzené báze-kolektor. Všimněte si polarity oblasti vyčerpání obklopující elektron v (d). Silné elektrické pole rychle smete elektron do kolektoru. Síla pole je úměrná napětí kolektorové baterie. Tedy 99 % proudu emitoru jde do kolektoru. Je řízen základním proudem, který je 1 % proudu emitoru. Toto je potenciální zesílení proudu 99krát, poměr I K / I B, také známý jako beta β.

To je úžasné, 99 % nosičů emitorů šířících se základnou je možné pouze tehdy, pokud je základna velmi tenká. Co by se stalo s hlavními nosiči emitorů, kdyby základna byla 100krát tlustší? Dalo by se očekávat nárůst rekombinace, počet elektronů padajících do děr by byl mnohem větší. Možná 99 %, ne 1 %, by se dostalo do děr a nikdy by se nedostalo do kolektoru. Druhým bodem je, že základní proud může řídit 99 % proudu emitoru pouze tehdy, pokud 99 % proudu emitoru difunduje do kolektoru. Pokud by veškerý proud tekl ze základny, žádná kontrola by nebyla možná.

Další funkcí potřebnou k přenosu 99 % elektronů z emitoru do kolektoru je, že skutečné bipolární tranzistory používají malý silně dopovaný emitor. Vysoká koncentrace emitorových elektronů způsobuje, že do báze difunduje více elektronů. Nižší koncentrace dopantu v bázi znamená, že do emitoru difunduje méně otvorů, což by mohlo zvýšit proud báze. Velkou výhodou je šíření nosičů náboje z emitoru do báze.

Tenká základna a silně dopovaný emitor pomáhají udržet účinnost emitoru na vysoké úrovni, například 99 %. To odpovídá 100% sdílení proudu emitoru mezi základnu (1 %) a kolektor (99 %). Účinnost emitoru je známá jako α = I K / I E.

Bipolární tranzistory mohou mít strukturu NPN i PNP. Tyto dvě struktury porovnáme na obrázku níže. Rozdíl spočívá v polaritě PN přechodů báze-emitor, která je označena směrem šipky emitoru na symbolu. Ukazuje stejným směrem jako šipka na anodě diody, tedy opačným směrem, než je směr elektronů.

Viz symbol na obrázku v přechodu P-N. Začátek šipky a její konec odpovídají polovodičům typu P a N. U emitorů NPN a PNP šipka ukazuje od základny k základně, resp. Na rozdělovači na symbolu není žádná šipka. Přechod báze-kolektor má však stejnou polaritu jako dioda jako přechod báze-emitor. Všimněte si, že mluvíme o polaritě diody, nikoli o napájení.

Porovnejte tranzistor NPN (a) s tranzistorem PNP (b). Věnujte pozornost šipce vysílače a polaritě napájecího zdroje.

Zdroje napětí pro tranzistory PNP jsou obrácené ve srovnání s tranzistory NPN, jak je znázorněno na obrázku výše. Spojení báze-emitor musí být v obou případech předpojaté. Báze tranzistoru PNP je vychýlena záporně (b) ve srovnání s kladnou (a) u tranzistoru NPN. V obou případech je spojení základna-kolektor vychýleno v opačném směru. Napájecí zdroj kolektoru tranzistoru PNP má zápornou polaritu ve srovnání s kladnou polaritou tranzistoru NPN.

Bipolární tranzistor (BJT): (a) průřez jednotlivého zařízení, (b) symbol, (c) průřez integrovaného obvodu.

Všimněte si, že bipolární tranzistor (BJT) na obrázku (a) výše má silně dopovaný emitor, označený N+. Báze má normální hladinu P-dopingu. Základna je mnohem tenčí, než je znázorněno v řezu, nikoli v měřítku. Kolektor je lehce dopován, což je označeno N - . Kolektor musí být dopován tak lehce, aby spoj kolektor-základ měl vysokého napětí zhroutit se. To má za následek vysoké přípustné napájecí napětí kolektoru. Průrazné napětí pro křemíkové tranzistory s nízkým výkonem je 60-80 voltů. U vysokonapěťových tranzistorů může dosahovat stovek voltů. Kolektor musí být také silně dopován, aby se snížily odporové ztráty, pokud má tranzistor zvládat vysoké proudy. Tyto protichůdné požadavky splňuje silnější legování kolektoru v oblasti kovového kontaktu. Kolektor v blízkosti základny je ve srovnání s emitorem lehce dopován. Silné dopování v emitoru má za následek nízké průrazné napětí emitor-báze, které je u tranzistorů s nízkým výkonem asi 7 voltů. Silně dopovaný emitor dělá reverzně zaujatý přechod emitor-báze podobný výkonu jako zenerova dioda.

Základem bipolárního přechodového tranzistoru, polovodičová deska, je kolektor namontovaný (u výkonných tranzistorů) na kovovém pouzdře. To znamená, že kovové pouzdro je elektricky připojeno ke kolektoru. Báze nízkovýkonových tranzistorů může být zalita v epoxidu. U výkonných tranzistorů hliník propojovací vodiče jsou připojeny k základně a emitoru a připojeny k vodičům těla. Báze nízkovýkonových tranzistorů lze instalovat přímo na výstupní vodiče. Na jednom čipu, který se bude nazývat integrovaný obvod, lze vyrobit několik tranzistorů. Kolektor lze dokonce instalovat nikoli na pouzdro, ale na výstup. Integrovaný obvod může obsahovat vnitřní vodiče spojující tranzistory a další integrované součástky. Vestavěný bipolární tranzistor zobrazený na obrázku (c) výše je mnohem tenčí než na obrázku „není v měřítku“. Oblast P+ izoluje více tranzistorů v jednom čipu. Vrstva hliníkového pokovení (není znázorněna) propojuje několik tranzistorů a dalších komponent. Oblast emitoru je silně dotována N+ ve srovnání se základnou a kolektorem, aby se zvýšila účinnost emitoru.

Diskrétní tranzistory PNP jsou téměř stejně kvalitní jako tranzistory NPN. Integrované tranzistory PNP však nejsou tak dobré jako NPN v podobném čipu integrovaného obvodu. Integrované obvody tedy maximálně využívají tranzistory NPN.

Shrnutí

• Bipolární tranzistory vedou proud pomocí elektronů i děr ve stejném zařízení.
• Fungování bipolárního tranzistoru jako proudového zesilovače vyžaduje, aby byl přechod kolektor-báze zpětně vychýlen a přechod emitor-báze byl vychýlen dopředu.
• Tranzistor se liší od dvojice diod back-to-back tím, že základna (střední vrstva) je velmi tenká. To umožňuje většinovým nosičům náboje z emitoru difundovat jako menšinovým nosičům přes bázi do oblasti vyčerpání spojení báze-kolektor, kde jsou zachyceny silným elektrickým polem.
• Účinnost emitoru je zlepšena silnějším dopováním ve srovnání s kolektorem. Účinnost emitoru: α = I C / I E , je 0,99 pro tranzistory s nízkým výkonem.
• Proudové zesílení: β=I C /I B , pro nízkovýkonové tranzistory je v rozsahu od 100 do 300.

Pokud vezmeme v úvahu mechanické protějšky, pak funkce tranzistorů připomíná princip fungování hydraulického posilovače řízení v autě. Ale podobnost je platná pouze při první aproximaci, protože v tranzistorech nejsou žádné ventily. V tomto článku budeme samostatně zvažovat provoz bipolárního tranzistoru.

Bipolární tranzistorové zařízení

Základem bipolárního tranzistorového zařízení je polovodičový materiál. První polovodičové krystaly pro tranzistory byly vyrobeny z germania, dnes se častěji používá křemík a arsenid galia. Nejprve je vyroben čistý polovodičový materiál s dobře uspořádaným krystalová mřížka. Poté dostane krystal potřebný tvar a do jeho složení se vnese speciální nečistota (materiál je legován), což mu dává určité vlastnosti elektrické vodivosti. Pokud je vodivost způsobena pohybem přebytečných elektronů, je definována jako donorová (elektronická) typu n. Pokud je vodivost polovodiče způsobena postupným nahrazováním volných míst, tzv. děr, elektrony, pak se taková vodivost nazývá akceptor (díra) a označuje se vodivostí typu p.

Obrázek 1.

Krystal tranzistoru se skládá ze tří částí (vrstev) se sériovým střídáním typu vodivosti (n-p-n nebo p-n-p). Přechody z jedné vrstvy do druhé tvoří potenciální bariéry. Přechod od báze k emitoru se nazývá emitor(EP), sběrateli - kolektor(KP). Obrázek 1 ukazuje strukturu tranzistoru jako symetrickou, idealizovanou. V praxi jsou během výroby velikosti oblastí výrazně asymetrické, přibližně jak je znázorněno na obrázku 2. Oblast kolektorového přechodu výrazně přesahuje přechod emitoru. Základní vrstva je velmi tenká, řádově několik mikronů.

Obrázek 2

Princip činnosti bipolárního tranzistoru

Podobně funguje jakýkoli p-n přechod tranzistoru. Když je na jeho póly aplikován potenciálový rozdíl, dochází k jeho „posunu“. Pokud je aplikovaný potenciálový rozdíl podmíněně kladný a p-n přechod se otevře, říká se, že přechod je dopředně zaujatý. Když je aplikován podmíněně záporný potenciálový rozdíl, přechod je obráceně vychýlen, na kterém je uzamčen. Charakteristickým rysem činnosti tranzistoru je, že při kladném předpětí alespoň jednoho přechodu je společná oblast, nazývaná báze, nasycena elektrony nebo elektronovými vakancí (v závislosti na typu vodivosti základního materiálu), což způsobuje významný pokles potenciální bariéry druhého přechodu a v důsledku toho jeho vodivost při zpětném předpětí.

Provozní režimy

Všechny tranzistorové spínací obvody lze rozdělit do dvou typů: normální a inverzní.

Obrázek 3

Normální tranzistorový spínací obvod zahrnuje změnu elektrické vodivosti kolektorového přechodu řízením posunu emitorového přechodu.

Inverzní obvod, na rozdíl od normálního, umožňuje řídit vodivost přechodu emitoru řízením předpětí kolektoru. Inverzní obvod je symetrický analog normálního, ale kvůli strukturální asymetrii bipolárního tranzistoru je pro použití neúčinný, má přísnější omezení na maximální přípustné parametry a prakticky se nepoužívá.

S jakýmkoli spínacím schématem může tranzistor pracovat ve třech režimech: Režim cutoff, aktivní režim a saturační režim.

Popsat směr práce elektrický proud v tomto článku je podmíněně brán jako směr elektronů, tzn. od záporného pólu napájecího zdroje ke kladnému. K tomu použijeme schéma na obrázku 4.

Obrázek 4

Režim cutoff

Pro pn přechod existuje hodnota pro minimální dopředné předpětí, při kterém jsou elektrony schopny překonat potenciální bariéru tohoto přechodu. To znamená, že při dopředném předpětí až do této prahové hodnoty nemůže přechodem protékat žádný proud. U křemíkových tranzistorů je hodnota takové prahové hodnoty přibližně 0,6 V. V běžném spínacím obvodu tedy, kdy dopředné předpětí přechodu emitoru nepřekročí 0,6 V (u křemíkových tranzistorů), neteče bází žádný proud, není nasycený elektrony a v důsledku toho nedochází k emisi základních elektronů do oblasti kolektoru; není zde žádný kolektorový proud (nula).

Pro režim cut-off jsou tedy nezbytnou podmínkou následující identity:

U BE<0,6 В

I B \u003d 0

Aktivní režim

V aktivním režimu je přechod emitoru předpětí až do okamžiku odblokování (začátek toku proudu) napětím vyšším než 0,6 V (u křemíkových tranzistorů) a přechod kolektoru je předpětí v opačném směru. . Pokud má báze vodivost typu p, dochází k přenosu (injekci) elektronů z emitoru do báze, které se okamžitě rozmístí v tenké vrstvě báze a téměř všechny dosáhnou hranice kolektoru. Nasycení báze elektrony vede k výraznému zmenšení velikosti kolektorového přechodu, kterým jsou elektrony působením záporného potenciálu z emitoru a báze přemístěny do kolektorové oblasti a proudí dolů kolektorem. svorka, čímž se způsobí kolektorový proud. Velmi tenká vrstva základny omezuje její maximální proud procházející velmi malým průřezem ve směru vývodu základny. Ale tato malá tloušťka báze způsobuje její rychlé nasycení elektrony. Oblast přechodu má značnou velikost, která vytváří podmínky pro tok významného proudu emitor-kolektor, který je desítky a stovkykrát vyšší než proud báze. Průchodem nevýznamných proudů bází tedy můžeme vytvořit podmínky pro průchod mnohem větších proudů kolektorem. Čím větší je proud báze, tím větší je jeho saturace a tím větší je kolektorový proud. Tento režim umožňuje plynule řídit (regulovat) vodivost kolektorového přechodu odpovídající změnou (regulací) proudu báze. Tato vlastnost aktivního režimu tranzistoru se využívá v obvodech různých zesilovačů.

V aktivním režimu je emitorový proud tranzistoru součtem proudu báze a kolektoru:

I E \u003d Já K + já B

Kolektorový proud lze vyjádřit jako:

I K = α TJ

kde α je koeficient přenosu proudu emitoru

Z výše uvedených rovnic můžete získat následující:

kde β je základní proudový zesilovací faktor.

Režim saturace

Hranice nárůstu proudu báze do okamžiku, kdy kolektorový proud zůstane nezměněn, určuje bod maximálního nasycení báze elektrony. Další zvýšení proudu báze nezmění stupeň její saturace a v žádném případě neovlivní proud kolektoru, může vést k přehřátí materiálu v oblasti kontaktu báze a selhání tranzistoru. V referenčních údajích pro tranzistory lze uvést saturační proud a maximální přípustný proud báze nebo saturační napětí emitor-báze a maximální přípustné napětí báze emitoru. Tyto limity určují režim saturace tranzistoru za normálních provozních podmínek.

Režim cutoff a režim saturace jsou účinné, když tranzistory fungují jako elektronické spínače pro spínání signálových a výkonových obvodů.

Rozdíl v principu činnosti tranzistorů s různými strukturami

Případ práce byl zvažován výše tranzistor n-p-n struktur. P-n-p tranzistory fungují podobným způsobem, ale existují zásadní rozdíly, kterých byste si měli být vědomi. Polovodičový materiál s akceptorovou vodivostí typu p má relativně nízkou kapacitu přenosu elektronů, protože je založen na principu přechodu elektronů z jedné prázdné pozice (díry) do druhé. Když jsou všechna vakance nahrazena elektrony, jejich pohyb je možný pouze tehdy, když se volná místa objevují ze směru pohybu. Při značné délce průřezu takového materiálu bude mít značný elektrický odpor, což vede k velkým problémům při jeho použití jako nejmasivnějšího kolektoru a emitoru bipolárních tranzistorů. typ pnp než při použití ve velmi tenké základní vrstvě NPN tranzistorů. Donorový polovodičový materiál typu n má elektrické vlastnosti vodivých kovů, díky čemuž je výhodnější použití jako emitor a kolektor, jako u tranzistorů typu n-p-n.

Tento charakteristický rys různých struktur bipolárních tranzistorů vede k velkým potížím při výrobě párů součástek s různou strukturou a podobnými elektrickými charakteristikami. Pokud budete věnovat pozornost referenčním údajům o charakteristikách párů tranzistorů, můžete vidět, že při dosažení stejných charakteristik dvou tranzistorů různých typů, například KT315A a KT361A, navzdory jejich stejnému kolektorovému výkonu (150 mW) a přibližně stejné proudové zesílení (20-90) , liší se maximálními povolenými kolektorovými proudy, napětím emitoru a báze atd.

P.S. Tento popis principu činnosti tranzistoru byl interpretován z hlediska ruské teorie, proto zde chybí popis působení elektrických polí na fiktivní kladné a záporné náboje. Ruská fyzika umožňuje používat jednodušší, srozumitelnější mechanické modely, které jsou realitě nejblíže, než abstrakce v podobě elektrických a magnetických polí, kladných a elektrických nábojů, které nám tradiční škola zrádně podsouvá. Z tohoto důvodu nedoporučuji používat uvedenou teorii bez předběžného rozboru a reflexe při přípravě na odevzdání kontrolních, semestrálních prací a jiných typů prací, vaši učitelé jednoduše nepřijmou nesouhlas, byť soutěživý a z hlediska zcela konzistentní. pohled na zdravý rozum a logiku. Navíc z mé strany jde o první pokus popsat činnost polovodičového zařízení z pozice ruské fyziky, kterou lze v budoucnu zpřesnit a doplnit.