Designazione dei transistor bipolari sui diagrammi

transistor bipolare- un dispositivo a semiconduttore a tre elettrodi, uno dei tipi di transistor. Nella struttura a semiconduttore, 2 giunzione p-n e il trasferimento di carica nel dispositivo viene effettuato da vettori di 2 tipi: elettroni e lacune. Ecco perché il dispositivo è stato chiamato "bipolare".

Viene utilizzato nei dispositivi elettronici per migliorare la generazione di oscillazioni elettriche e come elemento di commutazione della corrente, ad esempio nei circuiti logici elettronici.

Gli elettrodi sono collegati a tre strati consecutivi di un semiconduttore con un tipo alternato di conduzione delle impurità. Secondo questo metodo di alternanza, n-p-n e p-n-p transistor ( n (negativo) - tipo elettronico di conducibilità delle impurità, p (positivo) - buco).

Il funzionamento di un transistor bipolare, a differenza di un transistor ad effetto di campo, si basa sul trasferimento simultaneo di due tipi di cariche, i cui portatori sono elettroni e lacune (dalla parola "bi" - "due"). Il diagramma schematico del transistor è mostrato nella seconda figura.

Viene chiamato l'elettrodo collegato allo strato intermedio base, sono chiamati gli elettrodi collegati agli strati esterni emettitore e collettore. Dal punto di vista delle conducibilità, gli strati emettitore e collettore sono indistinguibili. Ma in pratica, nella produzione di transistor, per migliorare i parametri elettrici del dispositivo, differiscono in modo significativo nel grado di drogaggio con le impurità. Lo strato emettitore è fortemente drogato, lo strato collettore è leggermente drogato, il che aumenta la tensione di collettore consentita. Il valore della tensione inversa di rottura della giunzione dell'emettitore non è critico, poiché di solito in circuiti elettronici i transistor funzionano con una giunzione p-n dell'emettitore polarizzato in avanti, inoltre, il forte drogaggio dello strato dell'emettitore fornisce una migliore iniezione di portatori di minoranza nello strato di base, aumentando il coefficiente di trasferimento di corrente nei circuiti a base comune. Inoltre, l'area della giunzione p-n del collettore durante la produzione è notevolmente più grande dell'area della giunzione dell'emettitore, il che fornisce una migliore raccolta di portatori minoritari dallo strato di base e migliora il coefficiente di trasmissione.

Per aumentare la velocità (parametri di frequenza) di un transistor bipolare, è necessario assottigliare lo spessore dello strato di base, poiché lo spessore dello strato di base, tra l'altro, determina il tempo di "volo" (diffusione in dispositivi privi di deriva ) di portatori di minoranza, ma, con una diminuzione dello spessore della base, la limitante tensione del collettore, quindi lo spessore dello strato di base viene scelto sulla base di un ragionevole compromesso.

Dispositivo e principio di funzionamento

I primi transistor utilizzavano il germanio metallico come materiale semiconduttore. Attualmente (2015), sono costituiti principalmente da silicio monocristallino e arseniuro di gallio monocristallino. A causa dell'elevata mobilità dei vettori nell'arseniuro di gallio, i dispositivi basati su di esso hanno un'alta velocità e sono utilizzati nei circuiti logici ad altissima velocità e nei circuiti dell'amplificatore a microonde.

Un transistor bipolare è costituito da tre strati semiconduttori drogati in modo diverso: un emettitore e(E), basi B(B) e collettore C(A). A seconda dell'alternanza del tipo di conducibilità di questi strati, ci sono n-p-n(emettitore − n-semiconduttore, base − p- semiconduttore, collettore - n- semiconduttore) e p-n-p transistor. I contatti conduttivi non rettificanti sono collegati a ciascuno degli strati.

Lo strato di base si trova tra gli strati emettitore e collettore ed è leggermente drogato, quindi ha un'elevata resistenza elettrica. L'area di contatto totale base-emettitore è molto più piccola dell'area di contatto collettore-base (questo viene fatto per due motivi: un'ampia area di giunzione collettore-base aumenta la probabilità che portatori di carica minori vengano catturati dalla base al collettore e, poiché la giunzione collettore-base è solitamente abilitata nella modalità di funzionamento con polarizzazione inversa, quando si opera nella giunzione del collettore, la parte principale del calore dissipato dal dispositivo viene rilasciata, un aumento dell'area contribuisce a una migliore rimozione del calore dalla giunzione del collettore ), quindi, un vero transistor bipolare per uso generale è un dispositivo asimmetrico (è tecnicamente impraticabile scambiare l'emettitore e il collettore e ottenere un transistor bipolare originale simile - connessione inversa).

Nella modalità di funzionamento di amplificazione attiva, il transistor è acceso in modo che la sua giunzione di emettitore sia polarizzata in avanti (aperta) e la giunzione del collettore sia polarizzata inversa (chiusa).

Per certezza, considera il lavoro n-p-n transistor, tutti gli argomenti vengono ripetuti esattamente allo stesso modo per il caso p-n-p transistor, con la sostituzione della parola "elettroni" con "buchi", e viceversa, nonché con la sostituzione di tutte le tensioni con segni opposti. A n-p-n In un transistor, gli elettroni, i principali portatori di carica nell'emettitore, passano attraverso una giunzione emettitore-base aperta (vengono iniettati) nella regione di base. Alcuni di questi elettroni si ricombinano con i portatori di carica maggioritari nella base (buchi). Tuttavia, a causa del fatto che la base è molto sottile e relativamente leggermente drogata, la maggior parte degli elettroni iniettati dall'emettitore si diffondono nella regione del collettore, poiché il tempo di ricombinazione è relativamente lungo. forte campo elettrico La giunzione del collettore polarizzata inversa cattura i portatori di minoranza dalla base (elettroni) e li trasferisce allo strato del collettore. La corrente di collettore è quindi praticamente uguale alla corrente di emettitore, fatta eccezione per una piccola perdita di ricombinazione nella base, che forma la corrente di base ( io e \u003d io b + io a).

Il coefficiente α relativo alla corrente di emettitore e alla corrente di collettore ( I k \u003d α io e) è chiamato coefficiente di trasferimento della corrente dell'emettitore. Il valore numerico del coefficiente α è 0,9-0,999. Più alto è il coefficiente, più efficientemente il transistor trasferisce la corrente. Questo coefficiente dipende poco dalle tensioni collettore-base e base-emettitore. Pertanto, in un'ampia gamma di tensioni operative, la corrente del collettore è proporzionale alla corrente di base, il fattore di proporzionalità è β = α / (1 - α), da 10 a 1000. Pertanto, una piccola corrente di base può essere controllata da un corrente di collettore molto maggiore.

Modalità di funzionamento di un transistor bipolare

Voltaggio sull'emettitore base, collettore ()	Pregiudizio transizione base-emettitore per tipo n-p-n	Pregiudizio transizione collezionista di basi per tipo n-p-n	Modalità per tipo n-p-n
	diretto	inversione	normale modalità attiva
	diretto	diretto	modalità di saturazione
	inversione	inversione	modalità di interruzione
	inversione	diretto	inverso modalità attiva
Voltaggio sull'emettitore base, collettore ()	Pregiudizio transizione base-emettitore per il tipo p-n-p	Pregiudizio transizione collezionista di basi per il tipo p-n-p	Modalità per il tipo p-n-p
	inversione	diretto	inverso modalità attiva
	inversione	inversione	modalità di interruzione
	diretto	diretto	modalità di saturazione
	diretto	inversione	normale modalità attiva

Modalità attiva normale

La giunzione emettitore-base è attiva nella direzione in avanti (aperta) e la giunzione collettore-base è nella direzione inversa (chiusa):

UEB > 0; UKB< 0 (per transistor n-p-n tipo), per transistor p-n-p la condizione del tipo sarà simile UEB<0; UKB > 0.

Modalità attiva inversa

La giunzione dell'emettitore è polarizzata inversamente e la giunzione del collettore è polarizzata in avanti: UKB > 0; UEB< 0 (per transistor n-p-n genere).

Modalità saturazione

Tutti e due pag le transizioni sono polarizzate in avanti (entrambe aperte). Se emettitore e collettore quartiere-le transizioni si collegano a sorgenti esterne nella direzione in avanti, il transistor sarà in modalità di saturazione. Il campo elettrico di diffusione delle giunzioni di emettitore e collettore sarà parzialmente attenuato campo elettrico generato da fonti esterne ragnatela e Ukb. Di conseguenza, la potenziale barriera che limita la diffusione dei principali portatori di carica diminuirà e inizierà la penetrazione (iniezione) di fori dall'emettitore e dal collettore nella base, ovvero le correnti scorreranno attraverso l'emettitore e il collettore di il transistor, dette correnti di saturazione dell'emettitore ( io E. us) e collezionista ( io K. noi).

Tensione di saturazione collettore-emettitore(U KE. us) è la caduta di tensione su un transistor aperto (analogo semantico R SI. aprire transistor ad effetto di campo). Allo stesso modo tensione di saturazione base-emettitore(U BE us) è la caduta di tensione tra la base e l'emettitore su un transistor aperto.

Modalità di interruzione

In questa modalità, entrambi pag le transizioni sono invertite. La modalità di interruzione corrisponde alla condizione u EB<0, u KB<0.

regime di barriera

In questa modalità base transistor di corrente continua cortocircuitato o tramite una piccola resistenza al suo collettore, e dentro collettore o dentro emettitore il circuito del transistor accende un resistore che imposta la corrente attraverso il transistor. In tale inclusione, il transistor è una specie di diodo collegato in serie con un resistore di regolazione della corrente. Tali circuiti a cascata si distinguono per un numero ridotto di componenti, un buon disaccoppiamento ad alta frequenza, un ampio intervallo di temperature di esercizio e insensibilità ai parametri del transistor.

Cambio di schemi

Qualsiasi circuito di commutazione a transistor è caratterizzato da due indicatori principali:

• guadagno di corrente io fuori / io ingresso
• Impedenza di ingresso R in = u in / io ingresso

Schema elettrico con base comune

Schema di commutazione con una base comune.

Amplificatore di base comune.

• Tra tutte e tre le configurazioni, ha l'ingresso più piccolo e l'impedenza di uscita più grande. Ha un guadagno di corrente vicino all'unità e un grande guadagno di tensione. Non inverte la fase del segnale.
• io fuori / io in = io a / io e = α [α<1].
• Impedenza di ingresso R in = u in / io in = u eb / io e.

La resistenza di ingresso (impedenza di ingresso) di uno stadio amplificatore con una base comune è piccola, dipende dalla corrente dell'emettitore, con un aumento della corrente diminuisce e non supera le unità: centinaia di ohm per stadi a bassa potenza, poiché il circuito di ingresso dello stadio è una giunzione di emettitore aperta del transistor.

Vantaggi

• Buona temperatura e ampia gamma di frequenze, poiché l'effetto Miller è soppresso in questo circuito.
• Elevata tensione di collettore consentita.

Svantaggi dello schema di base comune

• Piccolo guadagno di corrente uguale ad α, poiché α è sempre leggermente inferiore a 1
• Bassa impedenza di ingresso

Circuito di commutazione con un emettitore comune

Circuito di commutazione con un emettitore comune.
io fuori = io a
io in = io b
u in = u bae
u fuori = u ke.

• Guadagno attuale: io fuori / io in = io a / io b = io a /( io e -I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Impedenza di ingresso: R in = u in / io in = u bae / io b.

Vantaggi

• Grande guadagno di corrente.
• Grande guadagno di tensione.
• Il massimo aumento di potenza.
• Puoi cavartela con un alimentatore.
• La tensione CA in uscita è invertita rispetto all'ingresso.

Screpolatura

• Ha una minore stabilità alla temperatura. Le proprietà di frequenza di tale inclusione sono significativamente peggiori rispetto a un circuito con una base comune, a causa dell'effetto Miller.

Circuito collettore comune

Schema di commutazione con un collettore comune.
io fuori = io ehm
io in = io b
u in = u bq
u fuori = u ke.

• Guadagno attuale: io fuori / io in = io e/ io b = io e /( io e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1].
• Impedenza di ingresso: R in = u in / io in = ( u bae + u ke)/ io b.

Vantaggi

• Grande impedenza di ingresso.
• Bassa impedenza di uscita.

Screpolatura

• Il guadagno di tensione è leggermente inferiore a 1.

Un circuito con tale inclusione è spesso chiamato " seguace dell'emettitore».

parametri principali

• Coefficiente di trasferimento attuale.
• impedenza di ingresso.
• conducibilità in uscita.
• Corrente inversa collettore-emettitore.
• Tempo di accensione.
• La frequenza limite del rapporto di trasferimento della corrente di base.
• Corrente di collettore inversa.
• La corrente massima consentita.
• La frequenza di taglio del coefficiente di trasferimento di corrente in un circuito a emettitore comune.

I parametri del transistor sono divisi in propri (primari) e secondari. I propri parametri caratterizzano le proprietà del transistor, indipendentemente dallo schema della sua inclusione. I seguenti sono accettati come parametri propri principali:

• guadagno di corrente α;
• emettitore, collettore e resistenze AC di base r eh, r a, r b, che sono:
  • r e - la somma delle resistenze della regione di emettitore e della giunzione di emettitore;
  • r k è la somma delle resistenze della regione del collettore e della giunzione del collettore;
  • r b - resistenza trasversale della base.

Utilizzo di un circuito equivalente a transistor bipolare h-parametri.

I parametri secondari sono diversi per i diversi circuiti di commutazione a transistor e, a causa della sua non linearità, sono validi solo per basse frequenze e piccole ampiezze di segnale. Per i parametri secondari sono stati proposti diversi sistemi di parametri e relativi circuiti equivalenti. I principali sono parametri misti (ibridi), indicati dalla lettera " h».

Impedenza di ingresso- resistenza del transistor alla corrente alternata di ingresso a corto circuito all'uscita. La variazione della corrente di ingresso è il risultato della variazione della tensione di ingresso, senza l'effetto della retroazione dalla tensione di uscita.

h 11 = u m1 / io m1, a u m2 = 0.

Fattore di retroazione della tensione mostra quale percentuale dell'output Tensione AC viene trasmesso all'ingresso del transistor a causa del feedback in esso contenuto. Non c'è corrente alternata nel circuito di ingresso del transistor e la variazione della tensione di ingresso si verifica solo a seguito di una variazione della tensione di uscita.

h 12 = u m1 / u m2, a io m1 = 0.

Rapporto di trasferimento attuale(guadagno di corrente) indica il guadagno della corrente alternata a resistenza di carico zero. La corrente di uscita dipende solo dalla corrente di ingresso senza l'influenza della tensione di uscita.

h 21 = io m2 / io m1, a u m2 = 0.

Conduttanza di uscita- conduzione interna della corrente alternata tra i terminali di uscita. La corrente di uscita cambia sotto l'influenza della tensione di uscita.

h 22 = io m2 / u m2, a io m1 = 0.

La relazione tra correnti alternate e tensioni di transistor è espressa dalle equazioni:

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

A seconda del circuito di commutazione del transistor, le lettere vengono aggiunte agli indici digitali dei parametri h: "e" - per il circuito OE, "b" - per il circuito OB, "k" - per il circuito OK.

Per lo schema OE: io m1 = io mb, io m2 = io mk, u m1 = u mb-e, u m2 = u mk-e. Ad esempio, per questo schema:

h 21e = io mk / io mb = β.

Per lo schema OB: io m1 = io me, io m2 = io mk, u m1 = u me-b, u m2 = u mk-b.

I parametri intrinseci del transistor sono relativi h-parametri, ad esempio per lo schema OE:

;

;

;

.

Up-frequenza cattiva influenza la capacità della giunzione del collettore inizia a funzionare sul transistor C k. La resistenza di capacità diminuisce, la corrente attraverso la resistenza di carico diminuisce e, di conseguenza, i guadagni α e β. Resistenza della capacità di giunzione dell'emettitore C e diminuisce, tuttavia, viene deviato da una piccola resistenza di transizione r e nella maggior parte dei casi può essere ignorato. Inoltre, con l'aumentare della frequenza, si verifica un'ulteriore diminuzione del coefficiente β a causa del ritardo della fase della corrente del collettore dalla fase della corrente dell'emettitore, che è causato dall'inerzia del processo di spostamento dei portatori attraverso la base dall'emettitore giunzione alla giunzione del collettore e l'inerzia dei processi di accumulo e riassorbimento di carica nella base. Vengono chiamate le frequenze alle quali i coefficienti α e β diminuiscono di 3 dB frequenze limite del coefficiente di trasferimento di corrente rispettivamente per gli schemi OB e OE.

Nella modalità pulsata, l'impulso di corrente del collettore inizia con un ritardo del tempo di ritardo τc rispetto all'impulso di corrente di ingresso, che è causato dal tempo di transito finito delle portanti attraverso la base. Quando i portatori si accumulano nella base, la corrente del collettore aumenta durante la durata del fronte τ f. Puntuale il transistor si chiama τ on = τ c + τ f.

Tecnologie di produzione di transistor

• Lega di diffusione.

Applicazione dei transistor

• Amplificatori, stadi di amplificazione
• Demodulatore (rilevatore)
• Inverter (elemento log.)
• Microcircuiti su logica a transistor (vedi.

Un tempo, i transistor vennero a sostituire le valvole a vuoto. Ciò è dovuto al fatto che hanno dimensioni ridotte, elevata affidabilità e costi di produzione meno costosi. Ora, transistor bipolarisono gli elementi base di tutti i circuiti di amplificazione.

È un elemento semiconduttore avente una struttura a tre strati, che forma due giunzioni elettrone-lacuna. Pertanto, un transistor può essere rappresentato come due diodi back-to-back. A seconda di quali saranno i principali vettori di carica, ci sono p-n-p e n-p-n transistor.

Base- uno strato semiconduttore, che è alla base del progetto del transistor.

emettitore chiamato strato semiconduttore, la cui funzione è l'iniezione di portatori di carica nello strato di base.

Collettore chiamato strato semiconduttore, la cui funzione è quella di raccogliere i portatori di carica che sono passati attraverso lo strato di base.

Di norma, l'emettitore contiene un numero molto maggiore di cariche di base rispetto alla base. Questa è la condizione principale per il funzionamento del transistor, perché in questo caso, con una polarizzazione diretta della giunzione dell'emettitore, la corrente sarà determinata dai portanti principali dell'emettitore. L'emettitore sarà in grado di svolgere la sua funzione principale: l'iniezione di vettori nello strato di base. La corrente dell'emettitore inverso viene solitamente tentata di essere la più piccola possibile. Un aumento dei portatori maggioritari dell'emettitore si ottiene utilizzando un'elevata concentrazione di impurità.

La base è resa il più sottile possibile. Ciò è correlato alla durata delle spese. I portatori di carica devono attraversare la base e ricombinarsi il meno possibile con i portatori principali della base per raggiungere il collettore.

Affinché il collezionista possa raccogliere più completamente i supporti che sono passati attraverso la base, stanno cercando di allargarla.

Il principio di funzionamento del transistor

Considera esempio p-n-p transistor.

In assenza di tensioni esterne si stabilisce una differenza di potenziale tra gli strati. Eventuali barriere sono predisposte ai valichi. Inoltre, se il numero di fori nell'emettitore e nel collettore è lo stesso, le potenziali barriere avranno la stessa larghezza.

Affinché il transistor funzioni correttamente, la giunzione dell'emettitore deve essere polarizzata in avanti e la giunzione del collettore polarizzata inversa.. Ciò corrisponderà alla modalità attiva del transistor. Per effettuare una tale connessione, sono necessarie due fonti. Una sorgente con tensione Ue è collegata con un polo positivo all'emettitore e un polo negativo alla base. Una sorgente con tensione Uk è collegata con un polo negativo al collettore e positivo alla base. E Ue< Uк.

Sotto l'azione della tensione Ue, la giunzione dell'emettitore viene spostata in avanti. Come è noto, quando la transizione elettrone-lacuna è polarizzata in avanti, il campo esterno è diretto opposto al campo di transizione e quindi lo riduce. I portatori principali iniziano a passare attraverso la transizione, nell'emettitore questi sono i fori 1-5 e negli elettroni di base 7-8. E poiché il numero di buchi nell'emettitore è maggiore del numero di elettroni nella base, la corrente dell'emettitore è principalmente dovuta a loro.

La corrente dell'emettitore è la somma della componente del foro della corrente dell'emettitore e della componente elettronica della base.

Poiché solo il componente del foro è utile, cercano di rendere il componente elettronico il più piccolo possibile. La caratteristica qualitativa della giunzione di emettitore è rapporto di iniezione.

Cercano di portare il coefficiente di iniezione più vicino a 1.

I fori 1-5 che sono passati nella base si accumulano sul bordo della giunzione dell'emettitore. Pertanto, si crea un'alta concentrazione di fori vicino all'emettitore e una bassa concentrazione vicino alla giunzione del collettore, a seguito della quale inizia il movimento di diffusione dei fori dall'emettitore alla giunzione del collettore. Ma vicino alla giunzione del collettore, la concentrazione dei fori rimane zero, perché non appena i fori raggiungono la giunzione, vengono accelerati dal suo campo interno e vengono estratti (disegnati) nel collettore. Gli elettroni sono respinti da questo campo.

Mentre i buchi attraversano lo strato di base, si ricombinano con gli elettroni che si trovano lì, ad esempio come il buco 5 e l'elettrone 6. E poiché i buchi entrano costantemente, creano una carica positiva in eccesso, quindi devono entrare anche gli elettroni, che vengono prelevati attraverso il terminale di base e formano la corrente di base Ibr. Questa è una condizione importante per il funzionamento del transistor – la concentrazione dei buchi nella base dovrebbe essere approssimativamente uguale alla concentrazione degli elettroni. In altre parole deve essere garantita la neutralità elettrica della base.

Il numero di fori che hanno raggiunto il collettore è inferiore al numero di fori che hanno lasciato l'emettitore per la quantità di fori ricombinati nella base. Questo è, La corrente del collettore differisce dalla corrente dell'emettitore per la corrente di base.

Da qui viene coefficiente di trasferimento vettori, che cercano anche di avvicinare a 1.

La corrente di collettore del transistor è costituita dalla componente del foro Icr e dalla corrente inversa del collettore.

La corrente di collettore inversa si verifica come risultato della polarizzazione inversa della giunzione del collettore, quindi è costituita da portatori minoritari di una lacuna 9 e da un elettrone 10. È proprio perché la corrente inversa è formata da portatori minoritari che dipende solo dalla processo di generazione termica, cioè sulla temperatura. Pertanto, viene spesso chiamato corrente termica.

La qualità del transistor dipende dall'entità della corrente termica, più è piccola, migliore è il transistor.

La corrente del collettore è accoppiata all'emettitore rapporto di trasferimento attuale.

Le correnti in un transistor possono essere rappresentate come segue

Rapporto di base per correnti di transistor

La corrente del collettore può essere espressa come

Da quanto sopra si può concludere che Modificando la corrente nel circuito base-emettitore, possiamo controllare la corrente di uscita del collettore. Inoltre, una leggera variazione della corrente di base provoca una variazione significativa della corrente del collettore.

A seconda del principio di funzionamento e delle caratteristiche del design, i transistor sono divisi in due grandi classi: bipolare e campo.

transistor bipolare- Questo è un dispositivo a semiconduttore con due giunzioni pn interagenti e tre o più conclusioni.

Il cristallo semiconduttore di un transistor è costituito da tre regioni con tipi alternati di conducibilità elettrica, tra cui ce ne sono due r-p-transizione. La regione centrale è solitamente molto sottile (frazioni di micron), quindi r-p le transizioni sono ravvicinate l'una dall'altra.

A seconda dell'ordine di alternanza delle regioni a semiconduttore con vari tipi la conduttività elettrica distingue i transistor r-p-r e p-r-p- tipi . Strutture semplificate e UGO tipi diversi i transistor sono mostrati in figura 1.23, un, b.

Figura 1.23 - Struttura e UGO dei transistor bipolari

Il transistor bipolare è il dispositivo a semiconduttore attivo più comune. Il silicio è attualmente utilizzato come materiale principale per la produzione di transistor bipolari. In questo caso, i transistor sono principalmente prodotti p-r-p-tipo, in cui i principali portatori di carica sono elettroni aventi una mobilità da due a tre volte superiore alla mobilità delle lacune.

Il controllo del valore della corrente che scorre nel circuito di uscita (nel circuito collettore o emettitore) del transistor bipolare viene effettuato utilizzando corrente nel circuito dell'elettrodo di controllo - base. base chiamato media strato nella struttura del transistor. Gli strati esterni sono chiamati emettitore (emettere, espellere) e collettore (mettere insieme). La concentrazione delle impurità (e, di conseguenza, dei principali portatori di carica) nell'emettitore è molto più alta che nella base e più alta che nel collettore. Pertanto, la regione dell'emettitore è la più a bassa resistenza.

Per illustrare i processi fisici nel transistor, utilizziamo la struttura semplificata del transistor p-r-p- tipo mostrato in Figura 1.24. Per comprendere il principio di funzionamento di un transistor, è estremamente importante considerarlo r-p Le giunzioni del transistor interagiscono fortemente tra loro. Ciò significa che la corrente di una giunzione influisce fortemente sulla corrente dell'altra e viceversa.

In modalità attiva (quando il transistor funziona come elemento amplificatore), due alimentatori sono collegati al transistor in modo tale che emettitore la transizione è stata spostata inoltrare, un collettore - nel contrario(Figura 1.24). Sotto l'azione del campo elettrico della sorgente e BE attraverso la giunzione dell'emettitore scorre una corrente diretta sufficientemente grande io E, fornito principalmente da iniezione elettroni dall'emettitore nella base L'iniezione di fori dalla base nell'emettitore sarà insignificante a causa della differenza di cui sopra nelle concentrazioni di atomi di impurità.

Figura 1.24 - Processi fisici in un transistor bipolare

Flusso di elettroni che fornisce corrente io E attraverso l'emettitore di transizione - la base è mostrata nella Figura 1.24 con una freccia larga. Parte degli elettroni iniettati nella regione di base (1 ... 5%) ricombinare con i principali portatori di carica per questa regione - fori, che formano una corrente nel circuito esterno della base io B. A causa della grande differenza nelle concentrazioni dei principali portatori di carica nell'emettitore e nella base, gli elettroni non compensati iniettati nella base si muovono in profondità in essa verso il collettore.

Vicino al collezionista r-p- elettroni di transizione sono soggetti ad un campo elettrico accelerato questa transizione polarizzata inversa. E poiché sono vettori minori nel database, succede retrazione (estrazione ) elettroni nella regione del collettore. Nel collettore, gli elettroni diventano i principali portatori di carica e raggiungono facilmente il terminale del collettore, creando una corrente nel circuito esterno del transistor.

In questo modo, la corrente attraverso il terminale di base del transistor è determinata da due componenti di corrente dirette in modo opposto. Se non ci fossero processi di ricombinazione nella base, allora queste correnti sarebbero uguali tra loro e la corrente di base risultante sarebbe uguale a zero. Ma poiché i processi di ricombinazione sono presenti in qualsiasi transistor reale, la corrente di emettitore pag-transizione leggermente superiore alla corrente del collettore pag-transizione.

Per la corrente di collettore, possiamo scrivere la seguente equazione

, (1.9)

dove un st- coefficiente di trasferimento di corrente dell'emettitore statico;

Io KBO- corrente inversa della giunzione del collettore (corrente termica) (per transistor a bassa potenza a temperatura normale è 0,015 ... 1 μA).

In pratica, il coefficiente di trasferimento di corrente dell'emettitore statico a st, a seconda del tipo di transistor, può assumere valori nell'intervallo 0,95 ... 0,998.

La corrente di emettitore nel transistor è numericamente la più grande ed è uguale a

, (1.11)

dove è il coefficiente di trasferimento di corrente statica della base in un circuito con un emettitore comune (nella letteratura di riferimento viene utilizzata la designazione h 21e, di solito assume il valore b st= 20 ... 1000 a seconda del tipo e della potenza del transistor).

Ne consegue che il transistor è un elemento controllato, poiché il valore della sua corrente di collettore (uscita) dipende dai valori dell'emettitore e dalle correnti di base.

Terminando la considerazione del principio di funzionamento di un transistor bipolare, va notato che la resistenza di una giunzione del collettore polarizzata inversa (quando viene applicata una tensione inversa) è molto alta (centinaia di kilo-ohm). Ecco perchè nel circuito del collettore è possibile inserire resistenze di carico con very grande resistenza , quindi praticamente non modificando il valore della corrente del collettore. Di conseguenza, una potenza significativa verrà allocata nel circuito di carico.

La resistenza di una giunzione dell'emettitore polarizzata in avanti, al contrario, è molto piccola (da decine a centinaia di ohm). Pertanto, a quasi gli stessi valori correnti dell'emettitore e del collettore, la potenza consumata nel circuito dell'emettitore risulta essere significativamente inferiore alla potenza rilasciata nel circuito del carico. Questo lo indica Un transistor è un dispositivo a semiconduttore che amplifica la potenza..

La tecnologia di produzione dei transistor bipolari può essere diversa: fusione, diffusione , epitassia. Questo determina in gran parte le caratteristiche del dispositivo. Strutture tipiche dei transistor bipolari prodotti vari metodi sono mostrati nella Figura 1.25. In particolare, nella figura 1.25, un struttura mostrata galleggiante, nella figura 1.25, b - epitassiale-diffusione, nella figura 1.25, in - planare, nella figura 1.25, G - mesaplanare transistor.

Figura 1.25 - Metodi per la fabbricazione di transistor bipolari

Modalità di funzionamento e circuiti di commutazione a transistor

Per ciascuno r-p- la giunzione del transistor può essere alimentata sia in tensione diretta che inversa. In base a ciò, si distinguono quattro modalità di funzionamento di un transistor bipolare: modalità tagliato fuori, modalità saturazione, attivo modalità e inverso modalità.

Attivo la modalità è fornita fornendo una tensione continua alla giunzione dell'emettitore e una tensione inversa alla giunzione del collettore (la modalità operativa principale del transistor). Questa modalità corrisponde al valore massimo del coefficiente di trasferimento di corrente dell'emettitore e garantisce la minima distorsione del segnale amplificato.

A inverso modalità, una tensione diretta viene applicata alla giunzione del collettore e una tensione inversa viene applicata alla giunzione dell'emettitore (a st®min; usato molto raramente).

In modalità saturazione entrambe le giunzioni sono sotto polarizzazione diretta. In questo caso, la corrente di uscita non dipende dalla corrente di ingresso ed è determinata solo dai parametri di carico.

In modalità tagliato fuori entrambe le giunzioni sono polarizzate inversamente. La corrente di uscita è prossima allo zero.

Le modalità di saturazione e taglio vengono utilizzate contemporaneamente in schemi chiave(quando il transistor funziona in modalità chiave).

Quando si utilizza un transistor in dispositivi elettronici, sono necessari due pin per fornire il segnale di ingresso e due pin per collegare il carico (rimuovere il segnale di uscita). Poiché il transistor ha solo tre pin, uno di essi deve essere comune ai segnali di ingresso e di uscita.

A seconda dell'uscita del transistor comune quando si collega la sorgente del segnale e il carico, esistono tre schemi di commutazione del transistor: con base comune(OB) (Figura 1.26, un); Insieme a emettitore comune(OE) (Figura 1.26, b); Insieme a collezionista comune(OK) (Figura 1.26, in).

In questi diagrammi, le fonti tensione costante e i resistori forniscono le modalità operative dei transistor per la corrente continua, ovvero i valori necessari di tensioni e correnti iniziali. I segnali di ingresso CA sono generati dalle sorgenti e dentro. Cambiano la corrente dell'emettitore (base) del transistor e, di conseguenza, la corrente del collettore. Incrementi di corrente del collettore (Figura 1.26, un, b) e corrente di emettitore (Figura 1.26, in) creerà, rispettivamente, sui resistori RK e RIF incrementi di tensione, che sono i segnali di uscita e fuori.

un B C

Figura 1.26 - Circuiti di commutazione del transistor

Quando si determina il circuito di commutazione del transistor, è necessario tenere conto del fatto che la resistenza della sorgente di tensione CC per CA è vicina a zero.

Caratteristiche corrente-tensione del transistor

Le proprietà di un transistor bipolare sono descritte in modo più completo utilizzando le caratteristiche di corrente-tensione statiche. In questo caso, si distinguono le caratteristiche I–V di ingresso e uscita del transistor. Poiché tutte e tre le correnti (base, collettore ed emettitore) in un transistor sono strettamente interconnesse, quando si analizza il funzionamento di un transistor, è necessario utilizzare le caratteristiche I–V sia di ingresso che di uscita.

Ogni circuito di commutazione del transistor ha le sue caratteristiche di corrente-tensione, che sono la dipendenza funzionale delle correnti attraverso il transistor dalle tensioni applicate. A causa della natura non lineare di queste dipendenze, di solito sono presentate in forma grafica.

Il transistor, come un quadripolo, è caratterizzato ingresso e fine settimana caratteristiche I–V statiche, che mostrano, rispettivamente, la dipendenza della corrente di ingresso dalla tensione di ingresso (a un valore costante della tensione di uscita del transistor) e la corrente di uscita dalla tensione di uscita (a una corrente di ingresso costante del transistor ).

La Figura 1.27 mostra le caratteristiche I–V statiche r-p-r-transistor collegato secondo lo schema con OE (il più comunemente usato nella pratica).

a b

Figura 1.27 - Caratteristiche statiche IV di un transistor bipolare collegato secondo il circuito con OE

Ingresso CVC (Figura 1.27, un) è simile al ramo diretto del CVC del diodo. Rappresenta la dipendenza della corrente io B dalla tensione ESSERE UCE, cioè una dipendenza della forma

. (1.12)

Dalla figura 1.27, un Si può notare che maggiore è la tensione UCE, più a destra viene spostato il ramo dell'ingresso CVC. Questo perché all'aumentare della tensione di polarizzazione inversa, UCE c'è un aumento dell'altezza della potenziale barriera del collettore R-P-transizione. E poiché in un transistor il collettore e l'emettitore R-P-le giunzioni interagiscono fortemente, questo, a sua volta, porta ad una diminuzione della corrente di base a tensione costante ESSERE.

Caratteristiche statiche IV, presentate nella Figura 1.27, un preso a temperatura normale (20°C). All'aumentare della temperatura, queste caratteristiche si sposteranno a sinistra e, quando scendono, si sposteranno a destra. Ciò è dovuto al fatto che all'aumentare della temperatura aumenta la conduttività elettrica intrinseca dei semiconduttori.

Per il circuito di uscita di un transistor collegato secondo il circuito OE, viene costruita una famiglia di caratteristiche I–V di uscita (Figura 1.27, b). Ciò è dovuto al fatto che la corrente di collettore del transistor dipende non solo (e non tanto, come si può vedere dalla figura) dalla tensione applicata alla giunzione del collettore, ma anche dalla corrente di base. Pertanto, la caratteristica corrente-tensione di uscita per un circuito con OE è la dipendenza della corrente io K dalla tensione UCE a corrente fissa io B, cioè una dipendenza della forma

. (1.13)

Ciascuna delle caratteristiche I–V di uscita di un transistor bipolare è caratterizzata all'inizio da un forte aumento della corrente di uscita io K all'aumentare della tensione di uscita UCE, e quindi, all'aumentare della tensione, una leggera variazione di corrente.

Si possono distinguere tre regioni sulla caratteristica I–V di uscita del transistor, corrispondenti a diverse modalità di funzionamento del transistor: saturazione, la zona tagliato fuori e regione lavoro attivo(guadagno) , corrispondente allo stato attivo del transistor, quando ½ ESSERE½ > 0 e ½ UCE½> 0.

Le caratteristiche I–V statiche di ingresso e uscita dei transistor vengono utilizzate nel calcolo grafico-analitico di cascate contenenti transistor.

Caratteristiche statiche di ingresso e uscita IV di un transistor bipolare R-P-R-tipo per il circuito di commutazione con OB sono mostrati in Figura 1.28, un e 1.28, b rispettivamente.

a b

Figura 1.28 - Caratteristiche statiche IV di un transistor bipolare per un circuito di commutazione con ABOUT

Per un circuito con ABOUT la caratteristica I–V statica di ingresso, viene chiamata la dipendenza dalla corrente CIOÈ dalla tensione UEB ad un valore di tensione fisso UKB, cioè una dipendenza della forma

. (1.14)

La caratteristica I–V statica di uscita per un circuito con OB è chiamata dipendenza dalla corrente io K dalla tensione UKB a corrente fissa CIOÈ, cioè una dipendenza della forma

. (1.15)

Nella figura 1.28, b si possono distinguere due regioni, corrispondenti a due modalità di funzionamento del transistor: attivo modalità ( UKB< 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим saturazione(UKB > 0 e la giunzione del collettore è polarizzata in avanti).

Modello matematico di un transistor bipolare

Ad oggi sono noti molti modelli elettrici di transistor bipolari. Nei sistemi di automazione della progettazione (CAD) di mezzi elettronici, i più comunemente utilizzati sono: i modelli Ebers-Moll, il modello di controllo della carica di Hummel-Poon generalizzato, il modello Linville, nonché i modelli locali a forma di P e T di Giacolleto di incrementi lineari .

Si consideri, ad esempio, una delle varianti del modello Ebers-Moll (Figura 1.29), che riflette le proprietà della struttura del transistor nella modalità di funzionamento lineare e nella modalità di cutoff.

Figura 1.29 - Circuito equivalente transistor bipolare (modello Ebers-Moll)

La Figura 1.29 usa la notazione: rif, r b, r a- resistenza, rispettivamente, delle regioni di emettitore, di base e di collettore del transistor e dei contatti ad esse; io b , io a - controllato in tensione alla giunzione di ingresso, sorgenti di corrente che riflettono il trasferimento di corrente attraverso il transistor; Reb- resistenza alle perdite della giunzione base-emettitore; R kb - resistenza alle perdite della giunzione base-collettore. Corrente di origine io bè correlato alla tensione alla giunzione dalla relazione

, (1.15)

dove Io B.O- corrente di saturazione della transizione base-emettitore (corrente inversa);

y a= (0,3 ... 1,2) V - differenza di potenziale di contatto (dipende dal tipo di materiale semiconduttore);

t- coefficiente empirico.

Parallela alla giunzione base-emettitore inclusa barriera capacità C bae e diffusione capacità C de transizione. Valore C bae determinato Tensione inversa all'incrocio e n e legalmente dipendente da lui

, (1.16)

dove С 0 b - capacità di trasferimento a e n = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - coefficiente che dipende dalla distribuzione delle impurità nella regione di base del transistor.

Capacità di diffusioneè una funzione della corrente io b, che scorre attraverso la transizione, ed è determinato dall'espressione

dove MA - coefficiente dipendente dalle proprietà della transizione e dalla sua temperatura.

La giunzione collettore-base è modellata in modo simile, l'unica differenza è che viene presa in considerazione solo la capacità di barriera della giunzione

, (1.18)

poiché quando il transistor funziona in modalità lineare e in modalità di interruzione della corrente di collettore, questa transizione è chiusa. Espressione per corrente sorgente di corrente del collettore controllata, modellando le proprietà di amplificazione del transistor, ha la forma

, (1.19)

dove b st- coefficiente di trasferimento di corrente statico della base del transistor in un circuito con un emettitore comune.

I parametri del modello Ebers-Moll possono essere ottenuti sia per calcolo basato sull'analisi del modello fisico-topologico del transistor, sia misurati sperimentalmente. I parametri statici del modello sono determinati più facilmente in corrente continua.

Globale il modello elettrico di un transistor bipolare discreto, tenendo conto dell'induttanza e della capacità delle sue uscite, è mostrato in Figura 1.30.

Figura 1.30 - Modello globale di un transistor bipolare

Parametri di base di un transistor bipolare

Quando si determinano le componenti variabili di correnti e tensioni (cioè durante l'analisi circuiti elettrici sul corrente alternata) e a condizione che il transistor sia in modalità attiva, è spesso rappresentato come un quadripolo lineare (Figura 1.31, un). I nomi (essenza fisica) delle correnti e delle tensioni di ingresso e uscita di una tale rete a quattro terminali dipendono dal circuito di commutazione del transistor.

a b

Figura 1.31 - Rappresentazione di un transistor bipolare mediante un quadripolo lineare

Per il circuito di commutazione di un transistor con un emettitore comune, le correnti e le tensioni del quadripolo (Figura 1.31, b) corrispondono alle seguenti correnti e tensioni di transistor:

- io 1 - componente variabile della corrente di base;

- tu 1 - componente variabile della tensione tra la base e l'emettitore;

- io 2 - componente variabile della corrente del collettore;

- tu 2 - la componente variabile della tensione tra collettore ed emettitore.

Il transistor è convenientemente descritto usando il cosiddetto h-opzioni. In questo caso assume la forma il sistema di equazioni del quadripolo in forma matriciale

. (1.20)

Probabilità ciao ij(questo è h-parametri) definiscono empiricamente, utilizzando a loro volta le modalità di corto circuito e di riposo all'ingresso e all'uscita del quadripolo.

Essenza h- i parametri per il circuito di commutazione di un transistor con OE sono i seguenti:

- - resistenza di ingresso del transistor per un segnale variabile con cortocircuito in uscita;

- - conducibilità di uscita del transistor a riposo in ingresso;

- - coefficiente di retroazione in tensione a vuoto in ingresso;

- - coefficiente di trasferimento di corrente del transistor in caso di cortocircuito in uscita.

Usando il circuito equivalente del transistor, puoi trovare la dipendenza h-parametri dai parametri del transistor.

In particolare si può dimostrare che per il circuito di commutazione di un transistor con OE si hanno le seguenti relazioni:

Nelle formule di cui sopra, seguenti parametri transistor:

- r b- resistenza ohmica del corpo base. Per i transistor reali, raggiunge valori di 100 ... 200 Ohm;

- rif- resistenza R-P-transizione, il cui valore dipende dalla modalità operativa del transistor e cambia nella modalità attiva entro frazioni - decine di ohm;

B- fattore differenziale trasmissione della corrente di base, determinata dall'espressione

; (1.25)

Resistenza della regione del collettore, determinata dall'espressione

, (1.26)

dove r a- resistenza differenziale della giunzione del collettore (solitamente entro una frazione - decine di MΩ), determinata dall'espressione

(1.27)

Aggiunto il 21 ottobre 2016 alle 17:45

Capitolo 2 - Teoria dei dispositivi a stato solido

Il transistor bipolare è stato così chiamato perché il suo funzionamento prevede il movimento di due portatori di carica: elettroni e lacune nello stesso cristallo. Il primo transistor bipolare fu inventato ai Bell Labs da William Shockley, Walter Brattain e John Bardeen alla fine del 1947, e quindi non fu pubblicato fino al 1948. Pertanto, molti testi differiscono sulla data di invenzione. Brattain realizzò un transistor a punti al germanio, che somigliava in qualche modo a un diodo a punti. Nel giro di un mese, Shockley aveva un transistor bipolare a giunzione più pratico, che descriviamo di seguito. Nel 1956, per l'invenzione del transistor, furono premiati premio Nobel in fisica.

Il transistor bipolare mostrato nella figura sotto (a) è un sandwich semiconduttore a tre strati NPN con un emettitore e un collettore alle estremità e una base nel mezzo. È come se un terzo strato fosse stato aggiunto a un diodo a due strati. Ma se questo fosse l'unico requisito, sarebbe sufficiente una coppia di diodi back-to-back. Ed è molto più semplice realizzare una coppia di diodi posizionati "dorso a dorso". Ma la base per realizzare un transistor bipolare è rendere lo strato intermedio, la base, il più sottile possibile senza cortocircuitare gli strati esterni, l'emettitore e la base. L'importanza dell'area di base sottile non può essere sottovalutata.

Il dispositivo a semiconduttore nella figura sotto (a) ha due giunzioni, tra emettitore e base e tra base e collettore, e due regioni di svuotamento.

(a) Transistor bipolare NPN.
(b) Applicare una polarizzazione inversa alla giunzione base-collettore.

È consuetudine applicare una polarizzazione inversa alla giunzione base-collettore di un transistor bipolare, come mostrato nella figura sopra (b). Si noti che questo aumenta la larghezza della regione di svuotamento. La tensione di polarizzazione inversa per la maggior parte dei transistor può variare da pochi volt a decine di volt. Attualmente non c'è corrente nel circuito del collettore oltre alla corrente di dispersione.

Nella figura sotto (a), un'altra sorgente di tensione è stata aggiunta al circuito tra l'emettitore e la base. Tipicamente, applichiamo una polarizzazione diretta alla giunzione emettitore-base che supera la potenziale barriera di 0,6 V. È come un salto in avanti diodo a semiconduttore. La sorgente di tensione deve superare 0,6 V affinché i portatori di maggioranza (elettroni per NPN) inizino a fluire dall'emettitore alla base, diventando portatori di carica di minoranza nel semiconduttore di tipo P.

Se la regione di base fosse spessa, come in una coppia di diodi back-to-back, tutta la corrente che scorre nella base fluirebbe attraverso il cavo di base. Nel nostro esempio di transistor NPN, gli elettroni che escono dall'emettitore nella base si combineranno con i fori nella base, facendo spazio alla creazione di più fori sul terminale (+) della batteria collegato alla base una volta che gli elettroni sono usciti.

Tuttavia, la base è sottile. Diversi vettori di maggioranza nell'emettitore introdotti come vettori di minoranza nella base si ricombinano effettivamente. Vedere la figura sotto (b). Diversi elettroni introdotti dall'emettitore nella base del transistor NPN cadono nei fori. Inoltre, alcuni elettroni che entrano nella base fluiranno direttamente attraverso la base fino al terminale positivo della batteria. La maggior parte del flusso di elettroni dell'emettitore si diffonde attraverso la base sottile nel collettore. Inoltre, una piccola variazione della corrente di base comporta una grande variazione della corrente del collettore. Se la tensione di base scende al di sotto di circa 0,6 volt per un transistor al silicio, smette di fluire. alta corrente emettitore-collettore.

Transistor bipolare NPN bipolare inverso collettore-base: (a) l'aggiunta di polarizzazione diretta alla giunzione base-emettitore provoca (b) corrente di base bassa e correnti di emettitore e collettore elevate.

Nella figura seguente, diamo un'occhiata più da vicino all'attuale meccanismo di amplificazione. Abbiamo una vista ingrandita delle giunzioni di un transistor bipolare NPN con un'enfasi sulla regione di base sottile. Sebbene non sia mostrato, si presume che le sorgenti di tensione esterne siano collegate: (1) giunzione emettitore-base con polarizzazione in avanti, (2) giunzione base-collettore con polarizzazione inversa. Gli elettroni, i vettori maggioritari, entrano nell'emettitore dal terminale (-) della batteria. La corrente di base corrisponde agli elettroni che lasciano il terminale di base al terminale (+) della batteria. Tuttavia, questa è una piccola corrente rispetto alla corrente dell'emettitore.

Elettroni inclusi nella base:
(a) Perso per ricombinazione con fori di base.
(b) Output di base in uscita.
(c) Il più diffuso dall'emettitore attraverso la base sottile nella regione di svuotamento del collettore di base,
e (d) vengono rapidamente catturati dal campo elettrico della regione di esaurimento forte nel collettore.

I portatori maggioritari all'interno di un emettitore di tipo N sono elettroni che diventano portatori minoritari quando entrano in una base di tipo P. Questi elettroni che colpiscono la base sottile di tipo P hanno quattro possibilità. Alcuni elettroni (nella figura (a) sopra) entrano in fori nella base, che consentono alla corrente di fluire al terminale di base dal terminale (+) della batteria. Questo non è mostrato, ma i fori nella base possono diffondersi nell'emettitore e combinarsi con gli elettroni, consentendo alla corrente di fluire attraverso il cavo di base. Diversi (b) scorrono attraverso la base fino al terminale (+) della batteria, come se la base fosse solo un resistore. Entrambi i gruppi di elettroni (a) e (b) contribuiscono molto poco alla corrente di base. Per i transistor a bassa potenza, la corrente di base è in genere l'1% della corrente dell'emettitore o del collettore. La maggior parte degli elettroni dell'emettitore si diffonde attraverso la base sottile (c) nella regione di svuotamento del collettore di basi. Notare la polarità della regione di svuotamento che circonda l'elettrone in (d). Un forte campo elettrico spazza rapidamente l'elettrone nel collettore. L'intensità del campo è proporzionale alla tensione della batteria del collettore. Pertanto, il 99% della corrente dell'emettitore va al collettore. È controllato dalla corrente di base, che è l'1% della corrente dell'emettitore. Questa è un'amplificazione di corrente potenziale di 99 volte, il rapporto I K / I B, noto anche come beta β.

Questo è sorprendente, il 99% dei vettori dell'emettitore che si propagano attraverso la base è possibile solo se la base è molto sottile. Cosa accadrebbe ai principali vettori dell'emettitore se la base fosse 100 volte più spessa? Ci si aspetterebbe un aumento della ricombinazione, il numero di elettroni che cadono nei buchi sarebbe molto maggiore. Forse il 99%, non l'1%, sarebbe entrato nei buchi, senza mai raggiungere il collettore. Il secondo punto è che la corrente di base può pilotare il 99% della corrente dell'emettitore solo se il 99% della corrente dell'emettitore si diffonde nel collettore. Se tutta la corrente scorresse dalla base, nessun controllo sarebbe possibile.

Un'altra caratteristica richiesta per trasferire il 99% degli elettroni dall'emettitore al collettore è che i veri transistor bipolari utilizzano un piccolo emettitore fortemente drogato. L'elevata concentrazione di elettroni emettitori fa sì che più elettroni si diffondano nella base. La minore concentrazione di drogante nella base significa che meno fori si diffondono nell'emettitore, il che potrebbe aumentare la corrente di base. La propagazione dei portatori di carica dall'emettitore alla base gode di un grande vantaggio.

La base sottile e l'emettitore fortemente drogato aiutano a mantenere alta l'efficienza dell'emettitore, ad esempio del 99%. Ciò corrisponde al 100% della corrente dell'emettitore condivisa tra base (1%) e collettore (99%). L'efficienza dell'emettitore è nota come α = I K / I E.

I transistor bipolari possono avere strutture sia NPN che PNP. Confronteremo queste due strutture nella figura seguente. La differenza sta nella polarità delle giunzioni PN base-emettitore, che è indicata dalla direzione della freccia emettitore sul simbolo. Punta nella stessa direzione della freccia sull'anodo del diodo, opposta alla direzione degli elettroni.

Vedere il simbolo sull'immagine nella transizione P-N. L'inizio della freccia e la sua fine corrispondono rispettivamente ai semiconduttori di tipo P e di tipo N. Per gli emettitori NPN e PNP, la freccia punta rispettivamente dalla base alla base. Non è presente alcuna freccia sul collettore sul simbolo. Tuttavia, la giunzione base-collettore ha la stessa polarità del diodo della giunzione base-emettitore. Si noti che stiamo parlando della polarità del diodo, non dell'alimentazione.

Confronta un transistor NPN (a) con un transistor PNP (b). Prestare attenzione alla freccia dell'emettitore e alla polarità dell'alimentazione.

Le sorgenti di tensione per i transistor PNP sono invertite rispetto ai transistor NPN, come mostrato nella figura sopra. La giunzione base-emettitore deve essere polarizzata in avanti in entrambi i casi. La base del transistor PNP è polarizzata negativamente (b), rispetto al positivo (a) per il transistor NPN. In entrambi i casi, la giunzione base-collettore è polarizzata nella direzione opposta. L'alimentazione del collettore di un transistor PNP ha una polarità negativa, rispetto alla polarità positiva di un transistor NPN.

Transistor bipolare a giunzione (BJT): (a) sezione trasversale del singolo dispositivo, (b) simbolo, (c) sezione trasversale del circuito integrato.

Si noti che il transistor bipolare (BJT) nella figura (a) sopra ha un emettitore fortemente drogato, indicato con N+. La base ha un livello normale di P-doping. La base è molto più sottile di quella mostrata nella sezione trasversale per non scalare. Il collettore è leggermente drogato, che è indicato da N - . Il collettore deve essere drogato in modo così leggero da avere la giunzione collettore-base alta tensione guasto. Ciò si traduce in un'elevata tensione di alimentazione del collettore consentita. La tensione di rottura per i transistor al silicio a bassa potenza è di 60-80 volt. Per i transistor ad alta tensione, può raggiungere centinaia di volt. Il collettore deve anche essere fortemente drogato per ridurre le perdite resistive se il transistor deve gestire correnti elevate. Questi requisiti contrastanti sono soddisfatti da una lega più forte del collettore nell'area del contatto con il metallo. Il collettore vicino alla base è leggermente drogato rispetto all'emettitore. Un forte drogaggio nell'emettitore si traduce in una bassa tensione di rottura della giunzione emettitore-base, che è di circa 7 volt per i transistor a bassa potenza. L'emettitore fortemente drogato rende la giunzione emettitore-base a polarizzazione inversa simile in termini di prestazioni a un diodo zener.

La base di un transistor a giunzione bipolare, una piastra a semiconduttore, è un collettore montato (nel caso di transistor ad alta potenza) su una custodia di metallo. Cioè, la custodia in metallo è collegata elettricamente al collettore. La base dei transistor a bassa potenza può essere incapsulata in resina epossidica. Nei transistor ad alta potenza, alluminio fili di collegamento sono collegati alla base e all'emettitore e collegati ai cavi del corpo. Le basi dei transistor a bassa potenza possono essere installate direttamente sui conduttori di uscita. Diversi transistor possono essere realizzati su un chip, che sarà chiamato circuito integrato. Il collettore può anche essere installato non sul case, ma sull'uscita. Un circuito integrato può contenere conduttori interni che collegano transistor e altri componenti integrati. Il transistor bipolare integrato mostrato nella figura (c) sopra è molto più sottile di quanto mostrato nella figura "non in scala". La regione P+ isola più transistor in un singolo chip. Uno strato di placcatura in alluminio (non mostrato) collega tra loro diversi transistor e altri componenti. La regione dell'emettitore è fortemente drogata con N+ rispetto alla base e al collettore per aumentare l'efficienza dell'emettitore.

I transistor PNP discreti sono di alta qualità quasi quanto i transistor NPN. Tuttavia, i transistor PNP integrati non sono buoni come gli NPN in un chip di circuito integrato simile. Pertanto, i circuiti integrati utilizzano al massimo i transistor NPN.

Riassumendo

• I transistor bipolari conducono la corrente utilizzando sia gli elettroni che i buchi nello stesso dispositivo.
• Il funzionamento di un transistor bipolare come amplificatore di corrente richiede che la giunzione collettore-base sia polarizzata inversamente e la giunzione emettitore-base sia polarizzata in avanti.
• Un transistor differisce da una coppia di diodi back-to-back in quanto la base (strato centrale) è molto sottile. Ciò consente ai portatori di carica maggioritari dall'emettitore di diffondersi, come portatori minoritari, attraverso la base nella regione di svuotamento della giunzione base-collettore, dove vengono captati da un forte campo elettrico.
• L'efficienza dell'emettitore è migliorata da un drogaggio più pesante rispetto al collettore. Efficienza dell'emettitore: α = I C / I E , è 0,99 per transistor a bassa potenza.
• Guadagno di corrente: β=I C /I B , per transistor a bassa potenza è compreso tra 100 e 300.

Se consideriamo le controparti meccaniche, il funzionamento dei transistor ricorda il principio di funzionamento di un servosterzo idraulico in un'auto. Ma la somiglianza è valida solo in prima approssimazione, poiché non ci sono valvole nei transistor. In questo articolo considereremo separatamente il funzionamento di un transistor bipolare.

Dispositivo a transistor bipolare

La base del dispositivo a transistor bipolare è un materiale semiconduttore. I primi cristalli semiconduttori per transistor erano fatti di germanio, oggi sono più comunemente usati silicio e arseniuro di gallio. In primo luogo, viene prodotto un materiale semiconduttore puro con un buon ordine reticolo cristallino. Quindi al cristallo viene data la forma necessaria e nella sua composizione viene introdotta una speciale impurità (il materiale è legato), che gli conferisce determinate proprietà di conduttività elettrica. Se la conducibilità è dovuta al movimento degli elettroni in eccesso, è definita di tipo n donatore (elettronico). Se la conducibilità di un semiconduttore è dovuta alla successiva sostituzione di posti liberi, le cosiddette lacune, con elettroni, allora tale conducibilità è chiamata accettore (buca) ed è indicata con conducibilità di tipo p.

Immagine 1.

Il cristallo del transistor è costituito da tre parti (strati) con alternanza seriale del tipo di conducibilità (n-p-n o p-n-p). Le transizioni da uno strato all'altro formano potenziali barriere. Viene chiamato il passaggio dalla base all'emettitore emettitore(EP), al collezionista - collettore(KP). La figura 1 mostra la struttura del transistor come simmetrica, idealizzata. In pratica, durante la produzione, le dimensioni delle regioni sono significativamente asimmetriche, approssimativamente come mostrato in Figura 2. L'area di giunzione del collettore supera significativamente la giunzione di emettitore. Lo strato di base è molto sottile, dell'ordine di pochi micron.

Figura 2.

Il principio di funzionamento di un transistor bipolare

Qualsiasi giunzione p-n di un transistor funziona in modo simile. Quando una differenza di potenziale viene applicata ai suoi poli, si verifica il suo "spostamento". Se la differenza di potenziale applicata è condizionatamente positiva e la giunzione pn si apre, si dice che la giunzione è polarizzata in avanti. Quando viene applicata una differenza di potenziale condizionatamente negativa, la transizione viene polarizzata inversamente, in corrispondenza della quale viene bloccata. Una caratteristica del funzionamento del transistor è che con una polarizzazione positiva di almeno una transizione, l'area comune, chiamata base, è satura di elettroni, o vacanze elettroniche (a seconda del tipo di conducibilità del materiale di base), che provoca un diminuzione significativa della barriera potenziale della seconda transizione e, di conseguenza, della sua conduttanza sotto polarizzazione inversa.

Modalità operative

Tutti i circuiti di commutazione a transistor possono essere suddivisi in due tipi: normale e inverso.

Figura 3

Circuito di commutazione a transistor normale comporta la modifica della conduttività elettrica della giunzione del collettore controllando l'offset della giunzione dell'emettitore.

Circuito inverso, a differenza del normale, consente di controllare la conducibilità della giunzione dell'emettitore controllando la polarizzazione del collettore. Il circuito inverso è un analogo simmetrico di quello normale, ma a causa dell'asimmetria strutturale del transistor bipolare, è inefficace per l'uso, ha restrizioni più stringenti sui parametri massimi consentiti e praticamente non viene utilizzato.

Con qualsiasi schema di commutazione, il transistor può funzionare in tre modalità: Modalità di interruzione, modalità attiva e modalità di saturazione.

Per descrivere la direzione del lavoro corrente elettrica in questo articolo, è condizionalmente presa come direzione degli elettroni, cioè dal polo negativo dell'alimentatore al positivo. Usiamo il diagramma in Figura 4 per questo.

Figura 4

Modalità di interruzione

Per la giunzione p-n, esiste un valore per la tensione di polarizzazione diretta minima alla quale gli elettroni sono in grado di superare la barriera di potenziale di questa giunzione. Cioè, a una tensione di polarizzazione diretta fino a questa soglia, nessuna corrente può fluire attraverso la giunzione. Per i transistor al silicio, il valore di tale soglia è di circa 0,6 V. Pertanto, in un normale circuito di commutazione, quando la polarizzazione diretta della giunzione dell'emettitore non supera 0,6 V (per i transistor al silicio), non scorre corrente attraverso la base, essa non è saturo di elettroni e, di conseguenza, non c'è emissione di elettroni di base nella regione del collettore; non c'è corrente di collettore (zero).

Pertanto, per il regime di cutoff, le seguenti identità sono una condizione necessaria:

ESSERE<0,6 В

Io B \u003d 0

Modalità attiva

Nella modalità attiva, la giunzione dell'emettitore è polarizzata in avanti fino al momento dello sblocco (l'inizio del flusso di corrente) con una tensione superiore a 0,6 V (per transistor al silicio) e la giunzione del collettore è polarizzata nella direzione opposta . Se la base ha conducibilità di tipo p, si ha un trasferimento (iniezione) di elettroni dall'emettitore alla base, che si distribuiscono istantaneamente in uno strato sottile della base e quasi tutti raggiungono il confine del collettore. La saturazione della base con gli elettroni porta ad una significativa diminuzione delle dimensioni della giunzione del collettore, attraverso la quale gli elettroni, sotto l'azione di un potenziale negativo dell'emettitore e della base, vengono spostati nella regione del collettore, scorrendo verso il basso attraverso il collettore terminale, provocando così la corrente del collettore. Lo strato molto sottile della base limita la sua corrente massima che passa attraverso una sezione trasversale molto piccola nella direzione del cavo di base. Ma questo piccolo spessore della base provoca la sua rapida saturazione con gli elettroni. L'area di giunzione ha una dimensione significativa, che crea le condizioni per il flusso di una corrente significativa emettitore-collettore, che è decine e centinaia di volte superiore alla corrente di base. Pertanto, facendo passare correnti insignificanti attraverso la base, possiamo creare le condizioni per il passaggio di correnti molto più grandi attraverso il collettore. Maggiore è la corrente di base, maggiore è la sua saturazione e maggiore è la corrente del collettore. Questa modalità consente di controllare (regolare) senza problemi la conduttività della giunzione del collettore mediante una corrispondente modifica (regolazione) della corrente di base. Questa proprietà della modalità attiva del transistor viene utilizzata nei circuiti di vari amplificatori.

In modalità attiva, la corrente di emettitore del transistor è la somma delle correnti di base e di collettore:

Io E \u003d Io K+ io B

La corrente del collettore può essere espressa come:

io K = α CIOÈ

dove α è il coefficiente di trasferimento di corrente dell'emettitore

Dalle equazioni precedenti, puoi ottenere quanto segue:

dove β è il fattore di amplificazione della corrente di base.

Modalità saturazione

Il limite dell'aumento della corrente di base fino al momento in cui la corrente di collettore rimane invariata determina il punto di massima saturazione della base con gli elettroni. Un ulteriore aumento della corrente di base non cambierà il grado di saturazione e non influirà in alcun modo sulla corrente del collettore, può portare al surriscaldamento del materiale nell'area di contatto di base e al guasto del transistor. Nei dati di riferimento per i transistor possono essere indicate la corrente di saturazione e la corrente di base massima ammissibile, oppure la tensione di saturazione emettitore-base e la tensione di base emettitore massima ammissibile. Questi limiti determinano la modalità di saturazione del transistor in condizioni operative normali.

La modalità di interruzione e la modalità di saturazione sono efficaci quando i transistor funzionano come interruttori elettronici per la commutazione del segnale e dei circuiti di alimentazione.

La differenza nel principio di funzionamento dei transistor con strutture diverse

Il caso del lavoro è stato considerato sopra transistor n-p-n strutture. I transistor P-n-p funzionano in modo simile, ma ci sono differenze fondamentali di cui dovresti essere a conoscenza. Un materiale semiconduttore con conduttività dell'accettore di tipo p ha una capacità di trasmissione di elettroni relativamente bassa, poiché si basa sul principio della transizione degli elettroni da un posto vacante (buco) all'altro. Quando tutti i posti vacanti vengono sostituiti da elettroni, il loro movimento è possibile solo quando i posti vacanti appaiono dalla direzione del movimento. Con una lunghezza significativa della sezione di tale materiale, avrà una resistenza elettrica significativa, il che porta a grossi problemi quando viene utilizzato come il più massiccio collettore ed emettitore di transistor bipolari. tipo pnp rispetto a quando utilizzato in uno strato base molto sottile di transistor NPN. Il materiale semiconduttore donatore di tipo n ha le proprietà elettriche dei metalli conduttivi, il che rende più vantaggioso l'uso come emettitore e collettore, come nei transistor di tipo n-p-n.

Questa caratteristica distintiva delle varie strutture dei transistor bipolari porta a grandi difficoltà nella produzione di coppie di componenti con diverse strutture e caratteristiche elettriche tra loro simili. Se presti attenzione ai dati di riferimento delle caratteristiche delle coppie di transistor, noterai che quando si ottengono le stesse caratteristiche di due transistor di vario tipo, ad esempio KT315A e KT361A, nonostante la loro identica potenza di collettore (150 mW) e approssimativamente lo stesso guadagno di corrente (20-90), differiscono per le correnti di collettore massime consentite, le tensioni di base dell'emettitore, ecc.

PS Questa descrizione del principio di funzionamento del transistor è stata interpretata dal punto di vista della teoria russa, quindi non esiste una descrizione dell'azione dei campi elettrici su cariche positive e negative fittizie. La fisica russa consente di utilizzare modelli meccanici più semplici, comprensibili e più vicini alla realtà rispetto alle astrazioni sotto forma di campi elettrici e magnetici, cariche positive ed elettriche, che la scuola tradizionale ci fa scivolare addosso a tradimento. Per questo motivo, non consiglio di utilizzare la teoria dichiarata senza analisi e riflessione preliminari quando si preparano alla consegna di controlli, tesine e altri tipi di lavoro, i tuoi insegnanti potrebbero semplicemente non accettare dissensi, anche competitivi e abbastanza coerenti dal punto di vista visione del buon senso e della logica. Inoltre, da parte mia, questo è il primo tentativo di descrivere il funzionamento di un dispositivo a semiconduttore dal punto di vista della fisica russa, che può essere perfezionato e integrato in futuro.