Betegnelse på bipolare transistorer på diagrammene

bipolar transistor- en tre-elektrode halvlederenhet, en av typene transistorer. I halvlederstrukturen, 2 p-n-kryss og ladningsoverføring i enheten utføres av bærere av 2 typer - elektroner og hull. Derfor ble enheten kalt "bipolar".

Den brukes i elektroniske enheter for å forbedre genereringen av elektriske svingninger og som et strømbryterelement, for eksempel i elektroniske logiske kretser.

Elektrodene er koblet til tre påfølgende lag av en halvleder med en vekslende type urenhetsledning. I henhold til denne vekslingsmetoden, n-p-n og p-n-p transistorer ( n (negativ) - elektronisk type urenhetsledningsevne, s (positivt) - hull).

Driften av en bipolar transistor, i motsetning til en felteffekttransistor, er basert på overføring av to typer ladninger samtidig, hvis bærere er elektroner og hull (fra ordet "bi" - "to"). Det skjematiske diagrammet av transistoren er vist i den andre figuren.

Elektroden koblet til mellomlaget kalles utgangspunkt, kalles elektrodene koblet til de ytre lagene emitter og samler. Fra et ledningsevnesynspunkt er emitter- og kollektorlagene umulig å skille. Men i praksis, ved fremstilling av transistorer, for å forbedre de elektriske parametrene til enheten, skiller de seg betydelig i graden av doping med urenheter. Emitterlaget er kraftig dopet, kollektorlaget er lett dopet, noe som øker tillatt kollektorspenning. Verdien av sammenbruddsreversspenningen til emitterkrysset er ikke kritisk, siden vanligvis i elektroniske kretser transistorer opererer med en foroverspent emitter p-n-overgang, i tillegg gir kraftig doping av emitterlaget bedre injeksjon av minoritetsbærere inn i basislaget, noe som øker strømoverføringskoeffisienten i fellesbasekretser. I tillegg er arealet til kollektorens p-n-kryss under produksjon gjort betydelig større enn arealet til emitter-krysset, noe som gir bedre samling av minoritetsbærere fra basislaget og forbedrer overføringskoeffisienten.

For å øke hastigheten (frekvensparametrene) til en bipolar transistor, må tykkelsen på basislaget gjøres tynnere, siden tykkelsen på basislaget blant annet bestemmer tidspunktet for "flight" (diffusjon i driftfrie enheter ) av minoritetsbærere, men, med en reduksjon i tykkelsen på basen, den begrensende kollektorspenning, så tykkelsen på basislaget er valgt basert på et rimelig kompromiss.

Enhet og operasjonsprinsipp

Tidlige transistorer brukte metallisk germanium som halvledermateriale. For tiden (2015) er de hovedsakelig laget av enkrystall silisium og enkrystall galliumarsenid. På grunn av den svært høye mobiliteten til bærere i galliumarsenid, har enheter basert på det høy hastighet og brukes i ultra-høyhastighets logiske kretser og i mikrobølgeforsterkerkretser.

En bipolar transistor består av tre forskjellig dopede halvlederlag: en emitter E(E), baser B(B) og manifold C(TIL). Avhengig av vekslingen av typen ledningsevne til disse lagene, er det n-p-n(sender - n-halvleder, base - s- halvleder, kollektor - n- halvleder) og p-n-p transistorer. Ledende ikke-likretterende kontakter er koblet til hvert av lagene.

Basislaget er plassert mellom emitter- og kollektorlaget og er lett dopet, derfor har det høy elektrisk motstand. Det totale base-emitter-kontaktområdet er mye mindre enn kollektor-base-kontaktarealet (dette gjøres av to grunner - et stort kollektor-base-kryssareal øker sannsynligheten for at mindre ladningsbærere fanges opp fra basen til kollektoren, og siden kollektor-base-krysset er vanligvis aktivert i driftsmodus med omvendt skjevhet, når du opererer i kollektor-krysset, frigjøres hoveddelen av varmen som spres av enheten, en økning i arealet bidrar til bedre varmefjerning fra kollektor-krysset ), derfor er en ekte generell bipolar transistor en asymmetrisk enhet (det er teknisk upraktisk å bytte emitter og kollektor og få en lignende original bipolar transistor - invers tilkobling).

I den aktive forsterkermodusen slås transistoren på slik at emitterkrysset er foroverforspent (åpen) og kollektorovergangen er reversrettet (lukket).

For bestemthets skyld, vurder arbeidet n-p-n transistor, gjentas alle argumenter på nøyaktig samme måte for saken p-n-p transistor, med erstatning av ordet "elektroner" med "hull", og vice versa, samt med erstatning av alle spenninger med motsatte fortegn. PÅ n-p-n I en transistor passerer elektroner, hovedladningsbærerne i emitteren, gjennom en åpen emitter-base-overgang (injiseres) inn i basisområdet. Noen av disse elektronene rekombinerer med de fleste ladningsbærere i basen (hullene). Men på grunn av det faktum at basen er laget veldig tynn og relativt lett dopet, diffunderer de fleste elektronene som injiseres fra emitteren inn i kollektorområdet, siden rekombinasjonstiden er relativt lang. Sterk elektrisk felt Det omvendte forspente kollektorovergangen fanger opp minoritetsbærere fra basen (elektronene) og overfører dem til kollektorlaget. Kollektorstrømmen er dermed praktisk talt lik emitterstrømmen, bortsett fra et lite rekombinasjonstap i basen, som danner basisstrømmen ( I e \u003d I b + I til).

Koeffisienten α som relaterer emitterstrømmen og kollektorstrømmen ( I k \u003d α I e) er kalt emitter strømoverføringskoeffisient. Den numeriske verdien av koeffisienten α er 0,9-0,999. Jo høyere koeffisient, desto mer effektivt overfører transistoren strøm. Denne koeffisienten avhenger lite av kollektor-base- og base-emitter-spenningene. Derfor, i et bredt spekter av driftsspenninger, er kollektorstrømmen proporsjonal med basisstrømmen, proporsjonalitetsfaktoren er β = α / (1 - α), fra 10 til 1000. Dermed kan en liten grunnstrøm styres av en mye større kollektorstrøm.

Driftsmoduser for en bipolar transistor

Spenning på emitteren utgangspunkt, samler ()	Partiskhet overgang base-emitter for type n-p-n	Partiskhet overgang base-samler for type n-p-n	Modus for type n-p-n
	direkte	omvendt	vanlig aktiv modus
	direkte	direkte	metningsmodus
	omvendt	omvendt	avskjæringsmodus
	omvendt	direkte	omvendt aktiv modus
Spenning på emitteren utgangspunkt, samler ()	Partiskhet overgang base-emitter for p-n-p type	Partiskhet overgang base-samler for p-n-p type	Modus for p-n-p type
	omvendt	direkte	omvendt aktiv modus
	omvendt	omvendt	avskjæringsmodus
	direkte	direkte	metningsmodus
	direkte	omvendt	vanlig aktiv modus

Normal aktiv modus

Emitter-base-krysset er på i retning forover (åpen), og kollektor-base-krysset er i motsatt retning (lukket):

U EB > 0; U KB< 0 (for transistor n-p-n type), for transistor p-n-p type tilstand vil se ut U EB<0; U KB > 0.

Invers aktiv modus

Emitterkrysset er omvendt forspent og kollektorkrysset er foroverforspent: U KB > 0; U EB< 0 (for transistor n-p-n type).

Metningsmodus

Både pn overganger er fremadrettet (begge åpne). Hvis emitter og samler distrikt-overganger kobles til eksterne kilder i foroverretningen, transistoren vil være i metningsmodus. Det elektriske diffusjonsfeltet til emitter- og kollektorforbindelsene vil bli delvis dempet elektrisk felt generert av eksterne kilder Web og Ukb. Som et resultat vil den potensielle barrieren som begrenser diffusjonen av hovedladningsbærerne avta, og penetrasjonen (injeksjonen) av hull fra emitteren og kollektoren inn i basen vil begynne, det vil si at strømmer vil flyte gjennom emitteren og kollektoren av transistoren, kalt emittermetningsstrømmer ( Jeg E. us) og samler ( Jeg K. oss).

Samler-emitter metningsspenning(U KE. us) er spenningsfallet over en åpen transistor (semantisk analog R SI. åpen felteffekttransistorer). på samme måte base-emitter metningsspenning(U BE us) er spenningsfallet mellom basen og emitteren på en åpen transistor.

Avskjæringsmodus

I denne modusen, begge pn overganger er reversert. Cutoff-modusen tilsvarer tilstanden U EB<0, U KB<0.

barriereregime

I denne modusen utgangspunkt transistor av likestrøm kortsluttet eller gjennom en liten motstand til sin samler, og i samler eller inn emitter transistorkretsen slår på en motstand som setter strømmen gjennom transistoren. I en slik inkludering er transistoren en slags diode koblet i serie med en strøminnstillingsmotstand. Slike kaskadekretser utmerker seg med et lite antall komponenter, god høyfrekvent avkobling, et stort driftstemperaturområde og ufølsomhet for transistorparametere.

Bytte ordninger

Enhver transistorsvitsjekrets er preget av to hovedindikatorer:

• nåværende gevinst Jeg ut / Jeg input
• Inngangsimpedans R i = U i / Jeg input

Koblingsskjema med felles base

Bytteordning med felles base.

Felles baseforsterker.

• Blant alle tre konfigurasjonene har den den minste inngangen og den største utgangsimpedansen. Den har en strømforsterkning nær enhet og en stor spenningsforsterkning. Inverterer ikke fasen til signalet.
• Jeg ut / Jeg i = Jeg til / Jeg e = α [α<1].
• Inngangsimpedans R i = U i / Jeg i = U eb / Jeg e.

Inngangsmotstanden (inngangsimpedansen) til et forsterkertrinn med en felles base er liten, avhenger av emitterstrømmen, med en økning i strømmen avtar den og overstiger ikke enheter - hundrevis av ohm for laveffekttrinn, siden inngangskretsen av scenen er et åpent emitterkryss til transistoren.

Fordeler

• God temperatur og bredt frekvensområde, siden Miller-effekten er undertrykt i denne kretsen.
• Høy tillatt kollektorspenning.

Ulemper ved felles basisordning

• Liten strømforsterkning lik α, siden α alltid er litt mindre enn 1
• Lav inngangsimpedans

Koblingskrets med felles emitter

Koblingskrets med felles emitter.
Jeg ut = Jeg til
Jeg i = Jeg b
U i = U bae
U ut = U ke.

• Nåværende gevinst: Jeg ut / Jeg i = Jeg til / Jeg b = Jeg til /( Jeg e-I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Inngangsimpedans: R i = U i / Jeg i = U bae / Jeg b.

Fordeler

• Stor strømforsterkning.
• Stor spenningsforsterkning.
• Største kraftøkning.
• Du klarer deg med én strømforsyning.
• AC-utgangsspenningen inverteres i forhold til inngangen.

Feil

• Den har mindre temperaturstabilitet. Frekvensegenskapene til en slik inkludering er betydelig dårligere sammenlignet med en krets med felles base, noe som skyldes Miller-effekten.

Felles samlekrets

Bytteordning med felles samler.
Jeg ut = Jeg eh
Jeg i = Jeg b
U i = U bq
U ut = U ke.

• Nåværende gevinst: Jeg ut / Jeg i = Jeg e/ Jeg b = Jeg e /( Jeg e-I k) = 1/(1-α) = β [β>>1].
• Inngangsimpedans: R i = U i / Jeg i = ( U bae + U ke)/ Jeg b.

Fordeler

• Stor inngangsimpedans.
• Lav utgangsimpedans.

Feil

• Spenningsforsterkningen er litt mindre enn 1.

En krets med en slik inkludering kalles ofte " emitter-følger».

hovedparametere

• Gjeldende overføringskoeffisient.
• inngangsimpedans.
• utgangskonduktivitet.
• Omvendt kollektor-emitterstrøm.
• Slå på tid.
• Den begrensende frekvensen til basisstrømoverføringsforholdet.
• Omvendt kollektorstrøm.
• Maksimal tillatt strøm.
• Grensefrekvensen til strømoverføringskoeffisienten i en felles-emitterkrets.

Transistorparametere er delt inn i egne (primære) og sekundære. Egne parametere karakteriserer egenskapene til transistoren, uavhengig av ordningen for dens inkludering. Følgende er akseptert som de viktigste egne parameterne:

• strømforsterkning α;
• emitter, kollektor og base AC motstand r eh, r til, r b, som er:
  • r e - summen av motstandene til emitterområdet og emitterkrysset;
  • r k er summen av motstandene til kollektorområdet og kollektorovergangen;
  • r b - tverrmotstand til basen.

Bipolar transistor ekvivalent krets ved hjelp av h-parametre.

Sekundærparametrene er forskjellige for forskjellige transistorsvitsjekretser, og på grunn av ikke-lineariteten er de kun gyldige for lave frekvenser og små signalamplituder. For sekundære parametere er det foreslått flere parametersystemer og deres tilsvarende ekvivalente kretser. De viktigste er blandede (hybride) parametere, merket med bokstaven " h».

Inngangsimpedans- motstand av transistoren til inngangen vekselstrøm ved kortslutning ved utgangen. Endringen i inngangsstrømmen er resultatet av endringen i inngangsspenningen, uten effekten av tilbakemelding fra utgangsspenningen.

h 11 = U m1 / Jeg m1, kl U m2 = 0.

Spenningstilbakekoblingsfaktor viser hvor mange prosent av produksjonen AC spenning overføres til inngangen til transistoren på grunn av tilbakemelding i den. Det er ingen vekselstrøm i inngangskretsen til transistoren, og endringen i inngangsspenningen skjer bare som et resultat av en endring i utgangsspenningen.

h 12 = U m1 / U m2, kl Jeg m1 = 0.

Nåværende overføringsforhold(strømforsterkning) indikerer forsterkningen av AC-strømmen ved null belastningsmotstand. Utgangsstrømmen avhenger kun av inngangsstrømmen uten påvirkning av utgangsspenningen.

h 21 = Jeg m2 / Jeg m1, kl U m2 = 0.

Utgangskonduktans- intern ledning for vekselstrøm mellom utgangsklemmene. Utgangsstrømmen endres under påvirkning av utgangsspenningen.

h 22 = Jeg m2 / U m2, kl Jeg m1 = 0.

Forholdet mellom vekselstrøm og transistorspenninger uttrykkes ved ligningene:

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

Avhengig av koblingskretsen til transistoren, legges bokstaver til de digitale indeksene til h-parametrene: "e" - for OE-kretsen, "b" - for OB-kretsen, "k" - for OK-kretsen.

For OE-ordningen: Jeg m1 = Jeg mb, Jeg m2 = Jeg mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. For eksempel for dette skjemaet:

h 21e = Jeg mk / Jeg mb = β.

For OB-ordningen: Jeg m1 = Jeg meg, Jeg m2 = Jeg mk, U m1 = U meg-b, U m2 = U mk-b.

Transistorens iboende parametere er relatert til h-parametre, for eksempel for OE-ordningen:

;

;

;

.

Opp-frekvens dårlig innflytelse kapasitansen til kollektorkrysset begynner å fungere på transistoren C k. Kapasitansmotstanden avtar, strømmen gjennom lastmotstanden avtar og følgelig forsterkningene α og β. Emitter junction kapasitans motstand C e avtar også, men den shuntes av en liten overgangsmotstand r og kan i de fleste tilfeller ignoreres. I tillegg, med økende frekvens, oppstår en ytterligere reduksjon i koeffisienten β som et resultat av forsinkelsen til kollektorstrømfasen fra emitterstrømfasen, som er forårsaket av tregheten i prosessen med å flytte bærere gjennom basen fra emitteren overgang til kollektorovergangen og tregheten til ladningsakkumulerings- og resorpsjonsprosessene i basen. Frekvensene som koeffisientene α og β minker med 3 dB kalles begrensende frekvenser for gjeldende overføringskoeffisient for henholdsvis OB- og OE-ordninger.

I den pulserte modusen starter kollektorstrømpulsen med en forsinkelse med forsinkelsestiden τc i forhold til inngangsstrømpulsen, som er forårsaket av den endelige transitttiden til bærebølgene gjennom basen. Når bærere akkumuleres i basen, øker kollektorstrømmen under varigheten av fronten τ f. På tide transistor kalles τ på = τ c + τ f.

Transistor Manufacturing Technologies

• Diffusjonslegering.

Anvendelse av transistorer

• Forsterkere, forsterkningstrinn
• Demodulator (detektor)
• Inverter (log. element)
• Mikrokretser på transistorlogikk (se.

På en gang kom transistorer for å erstatte vakuumrør. Dette skyldtes det faktum at de har mindre dimensjoner, høy pålitelighet og rimeligere produksjonskostnader. Nå, bipolare transistorerer de grunnleggende elementene i alle forsterkerkretser.

Det er et halvlederelement med en tre-lags struktur, som danner to elektron-hull-kryss. Derfor kan en transistor representeres som to back-to-back dioder. Avhengig av hva som vil være de viktigste ladebærerne, er det p-n-p og n-p-n transistorer.

Utgangspunkt- et halvlederlag, som er grunnlaget for transistordesignet.

emitter kalt et halvlederlag, hvis funksjon er injeksjon av ladningsbærere i basislaget.

Samler kalt et halvlederlag, hvis funksjon er å samle ladningsbærere som har gått gjennom basislaget.

Som regel inneholder emitteren et mye større antall grunnladninger enn basen. Dette er hovedbetingelsen for driften av transistoren, fordi i dette tilfellet, med en forspenning av emitterkrysset, vil strømmen bli bestemt av emitterens hovedbærere. Senderen vil være i stand til å utføre sin hovedfunksjon - injeksjon av bærere i basislaget. Reversemitterstrømmen forsøkes vanligvis å være så liten som mulig. En økning i de fleste bærere av emitteren oppnås ved å bruke en høy urenhetskonsentrasjon.

Basen er laget så tynn som mulig. Dette er relatert til levetiden til anklagene. Ladebærerne må krysse basen og rekombinere så lite som mulig med basens hovedbærere for å nå oppsamleren.

For at samleren skal kunne samle mer fullstendig opp bærerne som har gått gjennom basen, prøver de å gjøre den bredere.

Prinsippet for drift av transistoren

vurdere på p-n-p eksempel transistor.

I fravær av ytre spenninger etableres en potensialforskjell mellom lagene. Det settes opp potensielle bommer ved kryssene. Videre, hvis antall hull i emitteren og kollektoren er det samme, vil de potensielle barrierene være av samme bredde.

For at transistoren skal fungere som den skal, må emitterovergangen være forspent fremover og kollektorovergangen reversert.. Dette vil tilsvare den aktive modusen til transistoren. For å få til en slik forbindelse trengs to kilder. En kilde med spenning Ue kobles med en positiv pol til emitteren, og en negativ pol til basen. En kilde med spenning Uk kobles med en negativ pol til kollektoren, og positiv til basen. Og Ue< Uк.

Under påvirkning av spenningen Ue blir emitterovergangen forskjøvet i foroverretningen. Som kjent, når elektron-hull-overgangen er forspent, blir det eksterne feltet rettet motsatt av overgangsfeltet og reduserer det derfor. Hovedbærerne begynner å passere gjennom overgangen, i emitteren er disse hull 1-5, og i basiselektronene 7-8. Og siden antallet hull i emitteren er større enn antallet elektroner i basen, skyldes emitterstrømmen hovedsakelig dem.

Emitterstrømmen er summen av hullkomponenten til emitterstrømmen og den elektroniske komponenten til basen.

Siden kun hullkomponenten er nyttig, prøver de å gjøre den elektroniske komponenten så liten som mulig. Den kvalitative egenskapen til emitterkrysset er injeksjonsforhold.

De prøver å bringe injeksjonskoeffisienten nærmere 1.

Hull 1-5 som har gått inn i basen samler seg på grensen til emitterkrysset. Dermed skapes en høy konsentrasjon av hull nær emitteren og en lav konsentrasjon nær kollektorovergangen, som et resultat av at diffusjonsbevegelsen av hull fra emitteren til kollektorovergangen begynner. Men i nærheten av kollektorkrysset forblir hullkonsentrasjonen null, fordi så snart hullene når krysset, akselereres de av dets indre felt og trekkes ut (trukket) inn i kollektoren. Elektroner blir frastøtt av dette feltet.

Mens hullene krysser grunnlaget, rekombinerer de med elektronene som ligger der, for eksempel som hull 5 og elektron 6. Og siden hullene hele tiden kommer inn, skaper de en overflødig positiv ladning, derfor må elektroner også komme inn, som trekkes gjennom baseterminalen og danner basisstrømmen Ibr. Dette er en viktig betingelse for driften av transistoren – konsentrasjonen av hull i basen skal være omtrent lik konsentrasjonen av elektroner. Med andre ord den elektriske nøytraliteten til basen må sikres.

Antall hull som har nådd oppsamleren er mindre enn antall hull som har forlatt emitteren med mengden rekombinerte hull i basen. Det er, Kollektorstrømmen skiller seg fra emitterstrømmen med basisstrømmen.

Herfra kommer overføringskoeffisient transportører, som de også prøver å bringe nærmere 1.

Kollektorstrømmen til transistoren består av hullkomponenten Icr og kollektorens reversstrøm.

Den reverserte kollektorstrømmen oppstår som et resultat av den reverserte forspenningen til kollektorovergangen, derfor består den av minoritetsbærere av et hull 9 og et elektron 10. Det er nettopp fordi reversstrømmen dannes av minoritetsbærere at den kun avhenger av termisk generasjonsprosess, det vil si på temperatur. Derfor kalles det ofte termisk strøm.

Kvaliteten på transistoren avhenger av størrelsen på den termiske strømmen, jo mindre den er, jo bedre er transistoren.

Kollektorstrømmen er koblet til emitteren nåværende overføringsforhold.

Strømmene i en transistor kan representeres som følger

Grunnforhold for transistorstrømmer

Samlerstrømmen kan uttrykkes som

Fra ovenstående kan det konkluderes at Ved å endre strømmen i base-emitterkretsen kan vi kontrollere kollektorens utgangsstrøm. Dessuten forårsaker en liten endring i basisstrømmen en betydelig endring i kollektorstrømmen.

Avhengig av prinsippet om drift og designfunksjoner, er transistorer delt inn i to store klasser: bipolar og felt.

bipolar transistor– Dette er en halvlederenhet med to samvirkende pn-kryss og tre eller flere konklusjoner.

Halvlederkrystallen til en transistor består av tre områder med vekslende typer elektrisk ledningsevne, mellom hvilke det er to r-p-overgang. Midtområdet er vanligvis laget veldig tynt (brøkdeler av en mikron), så r-p overganger er tett plassert fra hverandre.

Avhengig av rekkefølgen av veksling av halvlederregioner med forskjellige typer elektrisk ledningsevne skille transistorer r-p-r og p-r-p- typer . Forenklede strukturer og UGOer forskjellige typer transistorer er vist i figur 1.23, en, b.

Figur 1.23 - Struktur og UGO av bipolare transistorer

Den bipolare transistoren er den vanligste aktive halvlederenheten. Silisium brukes i dag som hovedmateriale for fremstilling av bipolare transistorer. I dette tilfellet er transistorer hovedsakelig produsert p-r-p-type, der hovedladningsbærerne er elektroner som har en mobilitet to til tre ganger høyere enn mobiliteten til hull.

Kontrollen av verdien av strømmen som flyter i utgangskretsen (i kollektor- eller emitterkretsen) til den bipolare transistoren utføres ved å bruke strøm i kretsen til kontrollelektroden - base. utgangspunkt kalt gjennomsnitt lag i transistorstrukturen. De ytre lagene kalles emitter (å sende ut, kaste ut) og samler (samle). Konsentrasjonen av urenheter (og følgelig de viktigste ladningsbærerne) i emitteren er mye høyere enn i basen og høyere enn i kollektoren. Derfor er emitterregionen mest lav motstand.

For å illustrere de fysiske prosessene i transistoren bruker vi den forenklede strukturen til transistoren p-r-p- type vist i figur 1.24. For å forstå operasjonsprinsippet til en transistor, er det ekstremt viktig å vurdere det r-p Transistorkryss samhandler sterkt med hverandre. Dette betyr at strømmen til det ene krysset sterkt påvirker strømmen til det andre, og omvendt.

I aktiv modus (når transistoren fungerer som et forsterkerelement), er to strømforsyninger koblet til transistoren på en slik måte at emitter overgangen er flyttet framover, a samler - i det motsatte(Figur 1.24). Under påvirkning av kildens elektriske felt E BE gjennom emitterovergangen flyter en tilstrekkelig stor foroverstrøm Jeg E, som hovedsakelig leveres av injeksjon elektroner fra emitteren inn i basen Injeksjonen av hull fra basen inn i emitteren vil være ubetydelig på grunn av forskjellen ovenfor i konsentrasjonene av urenhetsatomer.

Figur 1.24 - Fysiske prosesser i en bipolar transistor

Elektronstrøm gir strøm Jeg E gjennom overgangssenderen - base er vist i figur 1.24 med bred pil. En del av elektronene injisert i basisområdet (1 ... 5 %) kombinere på nytt med hovedladingsbærerne for denne regionen - hull, som danner en strøm i den eksterne kretsen til basen Jeg B. På grunn av den store forskjellen i konsentrasjonene av hovedladningsbærerne i emitteren og basen, ukompenserte elektroner injisert i basen beveger seg dypt inn i den mot kollektoren.

I nærheten av samleren r-p- overgangselektroner blir utsatt for et akselererende elektrisk felt denne omvendte partiske overgangen. Og siden de er mindre bærere i databasen, skjer det tilbaketrekking (utdrag ) elektroner inn i kollektorområdet. I kollektoren blir elektronene de viktigste ladningsbærerne og når lett kollektorterminalen, og skaper en strøm i transistorens eksterne krets.

På denne måten, strømmen gjennom basisterminalen til transistoren bestemmes av to motsatt rettede strømkomponenter. Hvis det ikke var noen rekombinasjonsprosesser i basen, ville disse strømmene være lik hverandre, og den resulterende basisstrømmen ville være lik null. Men siden rekombinasjonsprosesser er til stede i enhver ekte transistor, er emitterstrømmen pn-overgang litt mer enn kollektorstrømmen pn-overgang.

For kollektorstrømmen kan vi skrive følgende ligning

, (1.9)

hvor en st- statisk emitter strømoverføringskoeffisient;

Jeg KBO- omvendt strøm av kollektorovergangen (termisk strøm) (for laveffekttransistorer ved normal temperatur er det 0,015 ... 1 μA).

I praksis vil den statiske emitterstrømoverføringskoeffisienten a st, avhengig av typen transistor, kan ta verdier i området 0,95 ... 0,998.

Emitterstrømmen i transistoren er numerisk størst og er lik

, (1.11)

hvor er den statiske strømoverføringskoeffisienten til basen i en krets med en felles emitter (i referanselitteraturen brukes betegnelsen h 21E, tar vanligvis verdien b st= 20 ... 1000 avhengig av transistorens type og effekt).

Det følger av det ovenstående at transistoren er et kontrollert element, siden verdien av kollektorstrømmen (utgangsstrømmen) avhenger av verdiene til emitter- og basisstrømmene.

Etter å ha fullført vurderingen av prinsippet om drift av en bipolar transistor, bør det bemerkes at motstanden til et omvendt forspent kollektorkryss (når en omvendt spenning påføres det) er veldig høy (hundrevis av kilo-ohm). Derfor i kollektorkretsen kan du inkludere lastmotstander med svært stor motstand , og dermed praktisk talt ikke endre verdien av kollektorstrømmen. Følgelig vil det tildeles betydelig effekt i lastkretsen.

Motstanden til et foroverforspent emitterkryss, tvert imot, er veldig liten (ti til hundrevis av ohm). Derfor på nesten samme verdier emitter- og kollektorstrømmer, viser kraften som forbrukes i emitterkretsen seg å være betydelig mindre enn kraften som frigjøres i lastkretsen. Dette indikerer det En transistor er en halvlederenhet som forsterker kraft..

Produksjonsteknologien til bipolare transistorer kan være forskjellig: fusjon, diffusjon , epitaksi. Dette bestemmer i stor grad egenskapene til enheten. Typiske strukturer av bipolare transistorer produsert ulike metoder er vist i figur 1.25. Spesielt i figur 1.25, en vist struktur flytbar, i figur 1.25, b - epitaksialt-diffusjon, i figur 1.25, i - plan, i figur 1.25, G - mesaplanar transistorer.

Figur 1.25 - Metoder for fremstilling av bipolare transistorer

Driftsmoduser og transistorsvitsjekretser

For hver r-p- transistorforbindelsen kan mates både fremover og bakoverspenning. I samsvar med dette skilles fire driftsmoduser for en bipolar transistor ut: modus avskjæring, modus metning, aktiv modus og omvendt modus.

Aktiv modusen tilveiebringes ved å tilføre en likespenning til emitterkrysset, og en reversspenning til kollektorovergangen (transistorens hoveddriftsmodus). Denne modusen tilsvarer den maksimale verdien av emitterstrømoverføringskoeffisienten og sikrer minimal forvrengning av det forsterkede signalet.

PÅ omvendt modus, påføres en foroverspenning til kollektorovergangen, og en reversspenning påtrykkes emitterforbindelsen (en st®min; svært sjelden brukt).

I modus metning begge veikryssene er under forlengs skjevhet. I dette tilfellet er utgangsstrømmen ikke avhengig av inngangsstrømmen og bestemmes kun av belastningsparametrene.

I modus avskjæring begge veikryssene er omvendte. Utgangsstrømmen er nær null.

Metnings- og avskjæringsmodus brukes samtidig i nøkkelordninger(når transistoren er i nøkkelmodus).

Når du bruker en transistor i elektroniske enheter, trengs to pinner for å levere inngangssignalet og to pinner for å koble til lasten (fjern utgangssignalet). Siden transistoren kun har tre pinner, må en av dem være felles for inngangs- og utgangssignalene.

Avhengig av hvilken utgang på transistoren som er vanlig når signalkilden og lasten kobles til, er det tre transistorsvitsjeskjemaer: med felles base(OB) (Figur 1.26, en); Med vanlig emitter(OE) (Figur 1.26, b); Med felles samler(OK) (Figur 1.26, i).

I disse diagrammene, kilder konstant spenning og motstander gir driftsmodusene til transistorer for likestrøm, det vil si de nødvendige verdiene for spenninger og startstrømmer. AC-inngangssignaler genereres av kilder og i. De endrer transistorens emitter (basis)strøm, og følgelig kollektorstrømmen. Samlerstrømøkninger (Figur 1.26, en, b) og emitterstrøm (Figur 1.26, i) vil skape henholdsvis på motstander R K og R E spenningsøkninger, som er utgangssignalene og ut.

a B C

Figur 1.26 - Transistorsvitsjekretser

Når du bestemmer transistorsvitsjekretsen, er det nødvendig å ta hensyn til det faktum at motstanden til DC-spenningskilden for AC er nær null.

Transistorens strømspenningsegenskaper

Egenskapene til en bipolar transistor er mest fullstendig beskrevet ved bruk av statiske strøm-spenningskarakteristikk. I dette tilfellet skilles inngangs- og utgangs-I–V-karakteristikkene til transistoren. Siden alle tre strømmene (base, kollektor og emitter) i en transistor er tett sammenkoblet, er det nødvendig å bruke både inngangs- og utgangs-I–V-karakteristikk når man analyserer driften av en transistor.

Hver svitsjekrets til transistoren har sine egne strømspenningsegenskaper, som er den funksjonelle avhengigheten av strømmene gjennom transistoren på de påførte spenningene. På grunn av den ikke-lineære naturen til disse avhengighetene, presenteres de vanligvis i grafisk form.

Transistoren, som en quadripol, er karakterisert input og helg statiske I–V-karakteristikk, som viser henholdsvis avhengigheten av inngangsstrømmen på inngangsspenningen (ved en konstant verdi av utgangsspenningen til transistoren) og utgangsstrømmen på utgangsspenningen (ved en konstant inngangsstrøm til transistoren) ).

Figur 1.27 viser de statiske I–V-karakteristikkene r-p-r-transistor koblet i henhold til skjemaet med OE (den mest brukte i praksis).

a b

Figur 1.27 - Statiske IV-karakteristikk for en bipolar transistor koblet i henhold til kretsen med OE

Inndata-CVC (Figur 1.27, en) ligner på den direkte grenen til CVC-en til dioden. Den representerer strømmens avhengighet jeg B fra spenning U BE U CE, det vil si en avhengighet av formen

. (1.12)

Fra figur 1.27, en Det kan sees at jo høyere spenning U CE, jo mer til høyre forskyves grenen til inngangs-CVC. Dette er fordi når den omvendte forspenningen øker, U CE det er en økning i høyden på den potensielle barrieren til oppsamleren R-P-overgang. Og siden i en transistor samleren og emitteren R-P-kryss samhandler sterkt, dette fører igjen til en reduksjon i basisstrømmen ved konstant spenning U BE.

Statiske IV-karakteristikker, presentert i figur 1.27, en tatt ved normal temperatur (20°C). Når temperaturen stiger, vil disse egenskapene skifte til venstre, og når de faller, vil de skifte til høyre. Dette skyldes det faktum at med økende temperatur øker den iboende elektriske ledningsevnen til halvledere.

For utgangskretsen til en transistor koblet i henhold til OE-kretsen, er det bygget en familie av utgangs I–V-karakteristikk (Figur 1.27, b). Dette skyldes det faktum at transistorens kollektorstrøm avhenger ikke bare (og ikke så mye, som det kan ses av figuren) av spenningen som påføres kollektorkrysset, men også av basisstrømmen. Dermed er utgangsstrøm-spenningskarakteristikken for en krets med OE avhengigheten av strømmen jeg K fra spenning U CE ved fast strøm jeg B, det vil si en avhengighet av formen

. (1.13)

Hver av utgangs-I–V-karakteristikkene til en bipolar transistor er i begynnelsen preget av en kraftig økning i utgangsstrømmen jeg K med økende utgangsspenning U CE, og deretter, når spenningen øker ytterligere, en liten endring i strømmen.

Tre regioner kan skilles ut på utgangs I–V-karakteristikken til transistoren, som tilsvarer forskjellige driftsmoduser for transistoren: metning, område avskjæring og område aktivt arbeid(gevinst) , tilsvarende den aktive tilstanden til transistoren, når ½ U BE½ > 0 og ½ U CE½> 0.

Inngangs- og utgangsstatiske I–V-karakteristikkene til transistorer brukes i den grafanalytiske beregningen av kaskader som inneholder transistorer.

Statiske inngangs- og utgangs-IV-karakteristikk til en bipolar transistor R-P-R-type for svitsjekretsen med OB er vist i figur 1.28, en og 1,28, b hhv.

a b

Figur 1.28 - Statiske IV-karakteristikk for en bipolar transistor for en svitsjekrets med OM

For en krets med OM den inngående statiske I–V-karakteristikken kalles strømavhengigheten DVS fra spenning U EB ved en fast spenningsverdi U KB, det vil si en avhengighet av formen

. (1.14)

Den utgangsstatiske I–V-karakteristikken for en krets med OB kalles strømavhengigheten jeg K fra spenning U KB ved fast strøm DVS, det vil si en avhengighet av formen

. (1.15)

I figur 1.28, b to regioner kan skilles, tilsvarende to driftsmoduser for transistoren: aktiv modus ( U KB< 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим metning(U KB > 0 og kollektorkrysset er forovervendt).

Matematisk modell av en bipolar transistor

Til dags dato er mange elektriske modeller av bipolare transistorer kjent. I designautomatiseringssystemer (CAD) av elektroniske midler er de mest brukte: Ebers-Moll-modeller, den generaliserte Hummel-Poon ladningskontrollmodellen, Linville-modellen, samt Giacolletos lokale P- og T-formede modeller med lineære trinn .

Vurder, som et eksempel, en av variantene av Ebers-Moll-modellen (figur 1.29), som gjenspeiler egenskapene til transistorstrukturen i lineær driftsmodus og i cutoff-modus.

Figur 1.29 - Bipolar transistor ekvivalent krets (Ebers-Moll modell)

Figur 1.29 bruker notasjonen: r e, r b, r til- motstanden til henholdsvis emitter-, base- og kollektorområdene til transistoren og kontakter til dem; jeg b , jeg til - spenningskontrollert ved inngangskrysset, strømkilder som reflekterer overføringen av strøm gjennom transistoren; R eb- lekkasjemotstand til base-emitter-krysset; R kb - lekkasjemotstanden til base-kollektor-overgangen. Kilde gjeldende jeg b er relatert til spenningen i krysset ved relasjonen

, (1.15)

hvor JEG BO- metningsstrøm av base-emitter-overgangen (reversstrøm);

y til= (0,3 ... 1,2) V - kontaktpotensialforskjell (avhenger av typen halvledermateriale);

t- empirisk koeffisient.

Parallelt med base-emitter-krysset inkludert barriere kapasitet C bae og diffusjon kapasitet C de overgang. Verdi C bae fast bestemt revers spenning ved krysset og n og juridisk avhengig av ham

, (1.16)

hvor С 0 b - overføringskapasitans kl og n = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - koeffisient avhengig av fordelingen av urenheter i basisområdet til transistoren.

Diffusjonskapasitet er en funksjon av strømmen jeg b, som flyter gjennom overgangen, og bestemmes av uttrykket

hvor MEN - koeffisient avhengig av egenskapene til overgangen og dens temperatur.

Kollektor-base-krysset er modellert på samme måte, den eneste forskjellen er at bare barriere-kapasitansen til krysset er tatt i betraktning

, (1.18)

siden når transistoren opererer i en lineær modus og i kollektorstrømavskjæringsmodus, er denne overgangen lukket. Uttrykk for gjeldende kontrollert kollektorstrømkilde, som modellerer de forsterkende egenskapene til transistoren, har formen

, (1.19)

hvor b st- statisk strømoverføringskoeffisient for basen til transistoren i en krets med en felles emitter.

Parametrene til Ebers-Moll-modellen kan oppnås enten ved beregning basert på analysen av den fysisk-topologiske modellen til transistoren, eller måles eksperimentelt. De statiske parametrene til modellen bestemmes enklest ved likestrøm.

Global den elektriske modellen av en diskret bipolar transistor, som tar hensyn til induktansen og kapasitansen til utgangene, er vist i figur 1.30.

Figur 1.30 - Global modell av en bipolar transistor

Grunnleggende parametere for en bipolar transistor

Når du bestemmer de variable komponentene til strømmer og spenninger (det vil si når du analyserer elektriske kretser på vekselstrøm) og forutsatt at transistoren er i aktiv modus, er den ofte representert som en lineær kvadripol (Figur 1.31, en). Navnene (fysisk essens) på inngangs- og utgangsstrømmene og spenningene til et slikt fireterminalnettverk avhenger av transistorsvitsjekretsen.

a b

Figur 1.31 - Representasjon av en bipolar transistor ved en lineær kvadripol

For svitsjekretsen til en transistor med en felles emitter, strømmene og spenningene til kvadripolen (Figur 1.31, b) tilsvarer følgende transistorstrømmer og spenninger:

- Jeg 1 - variabel komponent av basisstrømmen;

- u 1 - variabel komponent av spenningen mellom basen og emitteren;

- Jeg 2 - variabel komponent av kollektorstrømmen;

- u 2 - den variable komponenten av spenningen mellom kollektor og emitter.

Transistoren er praktisk beskrevet ved å bruke den såkalte h-alternativer. I dette tilfellet tar likningssystemet til kvadripolen i matriseform formen

. (1.20)

Odds h ij(det er h-parametere) definere empirisk, ved å bruke kortslutnings- og tomgangsmodusene ved inngangen og utgangen til kvadripolen.

Essens h- parametere for svitsjekretsen til en transistor med OE er som følger:

- - inngangsmotstand til transistoren for et variabelt signal med kortslutning ved utgangen;

- - utgangsledningsevne til transistoren ved tomgang ved inngangen;

- - tilbakemeldingskoeffisient for spenning ved tomgang ved inngangen;

- - strømoverføringskoeffisient for transistoren i tilfelle kortslutning ved utgangen.

Ved å bruke transistorekvivalentkretsen kan du finne avhengigheten h-parametere fra transistorparametere.

Spesielt kan det vises at for svitsjekretsen til en transistor med OE, finner følgende relasjoner sted:

I formlene ovenfor, følgende parametere transistorer:

- r b- ohmsk motstand til basiskroppen. For ekte transistorer når den verdier på 100 ... 200 Ohm;

- r e- motstand R-P-overgang, hvis verdi avhenger av transistorens driftsmodus og endringer i aktiv modus innen brøker - titalls ohm;

B- differensialfaktor basisstrømoverføring, bestemt ut fra uttrykket

; (1.25)

Collector region motstand, bestemt ut fra uttrykket

, (1.26)

hvor r til- differensiell motstand til kollektorovergangen (vanligvis innenfor en brøkdel - titalls MΩ), bestemt fra uttrykket

(1.27)

Lagt til 21. oktober 2016 kl. 17.45

Kapittel 2 - Teori om solid state-enheter

Den bipolare transistoren ble kalt slik fordi dens operasjon involverer bevegelse av to ladningsbærere: elektroner og hull i samme krystall. Den første bipolare transistoren ble oppfunnet ved Bell Labs av William Shockley, Walter Brattain og John Bardeen på slutten av 1947, og ble derfor ikke publisert før i 1948. Derfor er mange tekster forskjellige på datoen for oppfinnelsen. Brattain laget en germaniumpunkttransistor, som lignet en punktdiode. I løpet av en måned hadde Shockley en mer praktisk junction bipolar transistor, som vi beskriver nedenfor. I 1956, for oppfinnelsen av transistoren, ble de tildelt Nobel pris i fysikk.

Den bipolare transistoren vist i figuren under (a) er en NPN trelags halvledersandwich med en emitter og kollektor i endene og en base i mellom. Det er som om et tredje lag ble lagt til en to-lags diode. Men hvis det var det eneste kravet, ville et par back-to-back dioder vært tilstrekkelig. Og det er mye lettere å lage et par dioder plassert "rygg mot rygg". Men grunnlaget for å lage en bipolar transistor er å gjøre mellomlaget, basen, så tynt som mulig uten å kortslutte de ytre lagene, emitter og base. Betydningen av det tynne basisområdet kan ikke understrekes nok.

Halvlederanordningen i figur under (a) har to koblinger, mellom emitter og base og mellom base og kollektor, og to utarmingsområder.

(a) Bipolar NPN-transistor.
(b) Påføre en revers forspenning på base-kollektor-krysset.

Det er vanlig å påføre en omvendt forspenning til base-kollektor-overgangen til en bipolar transistor, som vist i figuren ovenfor (b). Merk at dette øker bredden på uttømmingsområdet. Omvendt forspenning for de fleste transistorer kan variere fra noen få volt til titalls volt. Det er for øyeblikket ingen strøm i kollektorkretsen annet enn lekkasjestrøm.

I figuren under (a) er en annen spenningskilde lagt til kretsen mellom emitter og base. Vanligvis bruker vi en forspenning forover til emitter-base-krysset som overvinner den potensielle barrieren på 0,6V. Det er som et skift fremover halvlederdiode. Spenningskilden må overstige 0,6V for at majoritetsbærerne (elektroner for NPN) skal begynne å strømme fra emitteren til basen og bli minoritetsladningsbærere i halvlederen av P-type.

Hvis basisområdet var tykt, som i et par rygg-mot-rygg-dioder, ville all strømmen som strømmet inn i basen flyte gjennom basisledningen. I vårt eksempel på NPN-transistoren vil elektronene som kommer ut av emitteren inn i basen kombineres med hullene i basen, noe som gir plass til at flere hull kan lages på (+)-polen til batteriet koblet til basen når elektronene har forlatt.

Imidlertid er basen laget tynn. Flere majoritetsbærere i emitteren introdusert som minoritetsbærere i basen rekombinerer faktisk. Se figuren under (b). Flere elektroner introdusert av emitteren i bunnen av NPN-transistoren faller ned i hullene. Dessuten vil noen få elektroner som kommer inn i basen strømme direkte gjennom basen til den positive polen på batteriet. Det meste av emitterelektronfluksen diffunderer gjennom den tynne basen inn i kollektoren. I tillegg resulterer en liten endring i basisstrømmen i en stor endring i kollektorstrømmen. Hvis basisspenningen faller under ca. 0,6 volt for en silisiumtransistor, slutter den å strømme. høy strøm emitter-samler.

Collector-Base Reverse Bipolar NPN Bipolar Transistor: (a) Å legge foroverforspenning til base-emitter-krysset resulterer i (b) lav basestrøm og høye emitter- og kollektorstrømmer.

I figuren under ser vi nærmere på gjeldende forsterkningsmekanisme. Vi har et forstørret bilde av kryssene til en bipolar NPN-transistor med vekt på det tynne basisområdet. Selv om det ikke er vist, antar vi at eksterne spenningskilder er tilkoblet: (1) foroverspent emitter-base-kryss, (2) revers-forspent base-collector-kryss. Elektroner, de fleste bærere, kommer inn i emitteren fra (-) terminalen på batteriet. Basisstrømmen tilsvarer elektronene som forlater baseterminalen til (+) terminalen på batteriet. Dette er imidlertid en liten strøm sammenlignet med emitterstrømmen.

Elektroner inkludert i basen:
(a) Tapt på grunn av rekombinasjon med basehull.
(b) Utgående baseutgang.
(c) Diffunderer mest fra emitteren gjennom den tynne basen inn i base-kollektor-utarmingsområdet,
og (d) blir raskt fanget opp av det sterke utarmingsområdets elektriske felt inn i kollektoren.

Majoritetsbærere inne i en N-type emitter er elektroner som blir minoritetsbærere når de kommer inn i en P-type base. Disse elektronene som treffer den tynne basen av P-typen har fire muligheter. Noen få elektroner (i figur (a) ovenfor) kommer inn i hull i basen, som lar strøm flyte til baseterminalen fra (+) terminalen på batteriet. Dette er ikke vist, men hull i basen kan diffundere inn i emitteren og kombineres med elektroner, slik at strøm kan flyte gjennom basisledningen. Flere (b) strømmer gjennom basen til (+) terminalen på batteriet, som om basen bare var en motstand. Begge gruppene av elektroner (a) og (b) bidrar svært lite til grunnstrømmen. For laveffekttransistorer er basisstrømmen typisk 1 % av emitter- eller kollektorstrømmen. De fleste av emitterelektronene diffunderer gjennom den tynne basen (c) inn i base-kollektorutarmingsområdet. Legg merke til polariteten til utarmingsområdet som omgir elektronet i (d). Et sterkt elektrisk felt sveiper raskt elektronet inn i kollektoren. Feltstyrken er proporsjonal med kollektorbatteriets spenning. Dermed går 99 % av emitterstrømmen til kollektoren. Den styres av basisstrømmen, som er 1 % av emitterstrømmen. Dette er en potensiell strømforsterkning på 99 ganger, forholdet I K / I B, også kjent som beta β.

Dette er utrolig, 99% av emitterbærerne som forplanter seg gjennom basen er bare mulig hvis basen er veldig tynn. Hva ville skje med de viktigste emitterbærerne hvis basen var 100 ganger tykkere? Man ville forvente en økning i rekombinasjon, antallet elektroner som faller ned i hull ville være mye større. Kanskje 99 %, ikke 1 %, ville ha kommet inn i hullene og aldri nådd samleren. Det andre punktet er at basisstrømmen kan drive 99 % av emitterstrømmen bare hvis 99 % av emitterstrømmen diffunderer inn i kollektoren. Hvis all strømmen gikk fra basen, ville ingen kontroll være mulig.

En annen funksjon som kreves for å overføre 99 % av elektronene fra emitteren til kollektoren er at ekte bipolare transistorer bruker en liten sterkt dopet emitter. Den høye konsentrasjonen av emitterelektroner fører til at flere elektroner diffunderer inn i basen. Den lavere dopantkonsentrasjonen i basen betyr at færre hull diffunderer inn i emitteren, noe som kan øke basestrømmen. Utbredelsen av ladningsbærere fra emitteren til basen har en stor fordel.

Den tynne basen og den kraftig dopede emitteren bidrar til å holde emittereffektiviteten høy, for eksempel 99 %. Dette tilsvarer at 100 % av emitterstrømmen deles mellom base (1 %) og kollektor (99 %). Emittereffektiviteten er kjent som α = I K / I E.

Bipolare transistorer kan ha både NPN- og PNP-strukturer. Vi vil sammenligne disse to strukturene i figuren nedenfor. Forskjellen ligger i polariteten til base-emitter PN-kryssene, som er indikert av retningen til emitterpilen på symbolet. Den peker i samme retning som pilen på anoden til dioden, motsatt retningen til elektronene.

Se symbolet på bildet i P-N overgang. Begynnelsen av pilen og dens ende tilsvarer henholdsvis P-type og N-type halvledere. For NPN- og PNP-emittere peker pilen fra henholdsvis basen til basen. Det er ingen pil på manifolden på symbolet. Imidlertid har base-kollektor-overgangen samme polaritet som dioden som base-emitter-overgangen. Merk at vi snakker om polariteten til dioden, ikke strømforsyningen.

Sammenlign en NPN-transistor (a) med en PNP-transistor (b). Vær oppmerksom på emitterpilen og polariteten til strømforsyningen.

Spenningskildene for PNP-transistorer er reversert sammenlignet med NPN-transistorer, som vist i figuren over. Base-emitter-krysset må være forspent i begge tilfeller. Basen til PNP-transistoren er negativt forspent (b), sammenlignet med positiv (a) for NPN-transistoren. I begge tilfeller er base-kollektor-krysset forspent i motsatt retning. Kollektorstrømforsyningen til en PNP-transistor har en negativ polaritet, sammenlignet med den positive polariteten for en NPN-transistor.

Bipolar Junction Transistor (BJT): (a) individuell enhets tverrsnitt, (b) symbol, (c) integrert krets tverrsnitt.

Merk at den bipolare transistoren (BJT) i figur (a) ovenfor har en sterkt dopet emitter, betegnet N+. Basen har et normalt nivå av P-doping. Basen er mye tynnere enn vist i tverrsnittet, ikke i skala. Samleren er lett dopet, noe som er indikert med N - . Oppsamleren skal være dopet så lett at kollektor-base-krysset har høyspenning sammenbrudd. Dette resulterer i en høy tillatt kollektorstrømforsyningsspenning. Nedbrytingsspenningen for silisiumtransistorer med lav effekt er 60-80 volt. For høyspenttransistorer kan den nå hundrevis av volt. Kollektoren må også være kraftig dopet for å redusere resistive tap dersom transistoren skal håndtere høye strømmer. Disse motstridende kravene oppfylles av en sterkere legering av oppsamleren i området for metallkontakten. Samleren nær basen er lett dopet sammenlignet med emitteren. Kraftig doping i emitteren resulterer i en lav emitter-base junction breakdown spenning, som er ca. 7 volt for laveffekttransistorer. Den sterkt dopede emitteren gjør at det omvendte forspente emitter-base-krysset i ytelse ligner en zenerdiode.

Basen til en bipolar koblingstransistor, en halvlederplate, er en kollektor montert (i tilfelle høyeffekttransistorer) på et metallhus. Det vil si at metallhuset er elektrisk koblet til kollektoren. Basen til laveffekttransistorer kan være innkapslet i epoksy. I høyeffekttransistorer, aluminium tilkoblingsledninger er koblet til basen og emitteren og koblet til kroppsledningene. Baser av laveffekttransistorer kan installeres direkte på utgangslederne. Flere transistorer kan lages på en brikke, som vil bli kalt en integrert krets. Samleren kan til og med installeres ikke på saken, men på utgangen. En integrert krets kan inneholde interne ledere som forbinder transistorer og andre integrerte komponenter. Den innebygde bipolare transistoren vist i figur (c) ovenfor er mye tynnere enn vist i "ikke i skala"-figuren. P+-området isolerer flere transistorer i en enkelt brikke. Et aluminiumpletteringslag (ikke vist) forbinder flere transistorer og andre komponenter. Emitterområdet er sterkt dopet med N+ sammenlignet med basen og kollektoren for å øke emittereffektiviteten.

Diskrete PNP-transistorer har nesten like høy kvalitet som NPN-transistorer. Integrerte PNP-transistorer er imidlertid ikke like gode som NPN-er i en lignende integrert kretsbrikke. Dermed bruker integrerte kretser NPN-transistorer maksimalt.

Oppsummering

• Bipolare transistorer leder strøm ved å bruke både elektroner og hull i samme enhet.
• Driften av en bipolar transistor som en strømforsterker krever at kollektor-base-overgangen er revers-forspent og emitter-base-overgangen er forover-spent.
• En transistor skiller seg fra et par back-to-back dioder ved at basen (senterlaget) er veldig tynt. Dette gjør at majoritetsladningsbærerne fra emitteren kan diffundere, som minoritetsbærere, gjennom basen inn i utarmingsområdet til base-kollektorkrysset, hvor de blir fanget opp av et sterkt elektrisk felt.
• Emittereffektiviteten er forbedret ved tyngre doping sammenlignet med oppsamleren. Emittereffektivitet: α = I C / I E , er 0,99 for laveffekttransistorer.
• Strømforsterkning: β=I C /I B, for laveffekttransistorer er i området fra 100 til 300.

Hvis vi vurderer mekaniske motstykker, ligner driften av transistorer prinsippet om drift av en hydraulisk servostyring i en bil. Men likheten er kun gyldig ved en første tilnærming, siden det ikke er noen ventiler i transistorer. I denne artikkelen vil vi separat vurdere driften av en bipolar transistor.

Bipolar transistorenhet

Grunnlaget for den bipolare transistorenheten er et halvledermateriale. De første halvlederkrystallene for transistorer ble laget av germanium, i dag er silisium og galliumarsenid mer vanlig brukt. Først produseres et rent halvledermateriale med en velordnet krystallgitter. Deretter får krystallen den nødvendige formen og en spesiell urenhet blir introdusert i sammensetningen (materialet er legert), noe som gir det visse egenskaper for elektrisk ledningsevne. Hvis ledningsevnen skyldes bevegelse av overflødige elektroner, er den definert som donor (elektronisk) n-type. Hvis ledningsevnen til en halvleder skyldes påfølgende utskifting av ledige plasser, de såkalte hullene, med elektroner, kalles slik ledningsevne akseptor (hull) og er betegnet med p-type ledningsevne.

Bilde 1.

Transistorkrystallen består av tre deler (lag) med seriell veksling av typen ledningsevne (n-p-n eller p-n-p). Overganger fra ett lag til et annet danner potensielle barrierer. Overgangen fra base til emitter kalles emitter(EP), til samleren - samler(KP). Figur 1 viser transistorstrukturen som symmetrisk, idealisert. I praksis, under produksjon, er størrelsene på regionene betydelig asymmetriske, omtrent som vist i figur 2. Samlerkryssområdet overstiger emitterkrysset betydelig. Grunnlaget er veldig tynt, i størrelsesorden noen få mikron.

Figur 2.

Prinsippet for drift av en bipolar transistor

Ethvert p-n-kryss til en transistor fungerer på samme måte. Når en potensialforskjell påføres polene, oppstår dens "skifte". Hvis den påførte potensialforskjellen er betinget positiv, og p-n-krysset åpner, sies det at krysset er foroverrettet. Når en betinget negativ potensialforskjell påføres, er overgangen omvendt forspent, der den låses. Et trekk ved transistoroperasjonen er at med en positiv forspenning på minst én overgang, er fellesområdet, kalt basen, mettet med elektroner, eller elektroniske ledige stillinger (avhengig av typen ledningsevne til basismaterialet), noe som forårsaker en betydelig reduksjon i den potensielle barrieren for den andre overgangen og, som et resultat, dens konduktans under omvendt skjevhet.

Driftsmoduser

Alle transistorsvitsjekretser kan deles inn i to typer: vanlig og omvendt.

Figur 3

Normal transistorsvitsjekrets innebærer å endre den elektriske ledningsevnen til kollektorovergangen ved å kontrollere forskyvningen av emitterovergangen.

Invers krets, i motsetning til normalt, lar deg kontrollere ledningsevnen til emitterkrysset ved å kontrollere forspenningen til kollektoren. Den inverse kretsen er en symmetrisk analog av den normale, men på grunn av den strukturelle asymmetrien til den bipolare transistoren er den ineffektiv for bruk, har strengere restriksjoner på de maksimalt tillatte parameterne og brukes praktisk talt ikke.

Med et hvilket som helst bytteskjema kan transistoren operere i tre moduser: Avskjæringsmodus, aktiv modus og metningsmodus.

For å beskrive jobbretningen elektrisk strøm i denne artikkelen er det betinget tatt som retningen til elektroner, dvs. fra den negative polen til strømforsyningen til den positive. La oss bruke diagrammet i figur 4 for dette.

Figur 4

Avskjæringsmodus

For p-n-krysset er det en verdi for minimum forspenningsspenning ved hvilken elektroner er i stand til å overvinne potensialbarrieren til dette krysset. Det vil si at ved en forspenning opp til denne terskelen kan ingen strøm flyte gjennom krysset. For silisiumtransistorer er verdien av en slik terskel omtrent 0,6 V. Således, i en normal svitsjekrets, når forspenningen til emitterkrysset ikke overstiger 0,6 V (for silisiumtransistorer), flyter ingen strøm gjennom basen, det er ikke mettet med elektroner, og som en konsekvens er det ingen emisjon av baseelektroner inn i kollektorområdet; det er ingen kollektorstrøm (null).

Følgende identiteter er derfor en nødvendig betingelse for cutoff-regimet:

U BE<0,6 В

I B \u003d 0

Aktiv modus

I aktiv modus er emitterkrysset forspent i retning fremover til øyeblikket for opplåsing (start av strømflyt) med en spenning på mer enn 0,6 V (for silisiumtransistorer), og kollektorovergangen er forspent i motsatt retning . Hvis basen har p-type ledningsevne, skjer det en overføring (injeksjon) av elektroner fra emitteren til basen, som umiddelbart fordeles i et tynt lag av basen og nesten alle når kollektorgrensen. Metningen av basen med elektroner fører til en betydelig reduksjon i størrelsen på kollektorovergangen, gjennom hvilken elektronene, under påvirkning av et negativt potensial fra emitteren og basen, forskyves inn i kollektorområdet og strømmer ned gjennom kollektoren terminal, og dermed forårsaker kollektorstrømmen. Det svært tynne laget av basen begrenser dens maksimale strøm som går gjennom et veldig lite tverrsnitt i retning av basisledningen. Men denne lille tykkelsen på basen forårsaker dens raske metning med elektroner. Kryssområdet har en betydelig størrelse, noe som skaper forhold for flyten av en betydelig emitter-kollektorstrøm, som er titalls og hundrevis av ganger høyere enn basisstrømmen. Dermed kan vi, ved å føre ubetydelige strømmer gjennom basen, skape forhold for passasje av mye større strømmer gjennom kollektoren. Jo større grunnstrømmen er, desto større er metningen, og jo større er kollektorstrømmen. Denne modusen lar deg jevnt kontrollere (regulere) ledningsevnen til kollektorovergangen ved en tilsvarende endring (regulering) av basisstrømmen. Denne egenskapen til den aktive modusen til transistoren brukes i kretsene til forskjellige forsterkere.

I aktiv modus er emitterstrømmen til transistoren summen av base- og kollektorstrømmene:

I E \u003d I K + jeg B

Samlerstrøm kan uttrykkes som:

I K = α DVS

hvor α er emitterstrømoverføringskoeffisienten

Fra ligningene ovenfor kan du få følgende:

hvor β er grunnstrømforsterkningsfaktoren.

Metningsmodus

Grensen for økningen i basisstrømmen til øyeblikket da kollektorstrømmen forblir uendret bestemmer punktet for maksimal metning av basen med elektroner. En ytterligere økning i basisstrømmen vil ikke endre graden av dens metning, og vil på ingen måte påvirke kollektorstrømmen, det kan føre til overoppheting av materialet i basiskontaktområdet og svikt i transistoren. I referansedataene for transistorer kan metningsstrømmen og den maksimalt tillatte basisstrømmen, eller emitter-base-metningsspenningen og den maksimalt tillatte emitter-base-spenningen, angis. Disse grensene bestemmer transistorens metningsmodus under normale driftsforhold.

Avskjæringsmodusen og metningsmodusen er effektive når transistorer fungerer som elektroniske brytere for å bytte signal- og strømkretser.

Forskjellen i prinsippet om drift av transistorer med forskjellige strukturer

Arbeidssaken ble vurdert ovenfor transistor n-p-n strukturer. P-n-p transistorer fungerer på lignende måte, men det er grunnleggende forskjeller du bør være oppmerksom på. Et halvledermateriale med p-type akseptorledningsevne har en relativt lav elektronoverføringskapasitet, siden det er basert på prinsippet om elektronovergang fra en ledighet (hull) til en annen. Når alle ledige stillinger erstattes av elektroner, er deres bevegelse bare mulig ettersom ledige stillinger vises fra bevegelsesretningen. Med en betydelig lengde av seksjonen av et slikt materiale vil det ha betydelig elektrisk motstand, noe som fører til store problemer når det brukes som den mest massive samleren og emitteren av bipolare transistorer. pnp-type enn når det brukes i et veldig tynt basislag av NPN-transistorer. n-type donor-halvledermateriale har de elektriske egenskapene til ledende metaller, noe som gjør det mer fordelaktig å bruke som emitter og kollektor, som i n-p-n-transistorer.

Dette særegne trekk ved de forskjellige strukturene til bipolare transistorer fører til store vanskeligheter ved produksjon av par av komponenter med forskjellige strukturer og elektriske egenskaper som ligner hverandre. Hvis du legger merke til referansedataene til egenskapene til par med transistorer, vil du legge merke til at når de samme egenskapene til to transistorer av forskjellige typer, for eksempel KT315A og KT361A, oppnås, til tross for deres identiske kollektoreffekt (150 mW) og omtrent samme strømforsterkning (20-90), de er forskjellige i de maksimalt tillatte kollektorstrømmene, emitter-basespenninger, etc.

P.S. Denne beskrivelsen av operasjonsprinsippet til transistoren ble tolket fra russisk teoris ståsted, så det er ingen beskrivelse av virkningen av elektriske felt på fiktive positive og negative ladninger. Russian Physics gjør det mulig å bruke enklere, mer forståelige mekaniske modeller som er nærmest virkeligheten enn abstraksjoner i form av elektriske og magnetiske felt, positive og elektriske ladninger, som den tradisjonelle skolen forrædersk glir over oss. Av denne grunn anbefaler jeg ikke å bruke den uttalte teorien uten foreløpig analyse og refleksjon når de forbereder levering av kontroll, semesteroppgaver og andre typer arbeid, lærerne dine kan rett og slett ikke akseptere dissens, selv konkurransedyktige og ganske konsistente fra punktet syn på sunn fornuft og logikk. I tillegg, for min del, er dette det første forsøket på å beskrive driften av en halvlederenhet fra russisk fysikks ståsted, som kan foredles og suppleres i fremtiden.