Desemnarea tranzistoarelor bipolare pe diagrame

tranzistor bipolar- un dispozitiv semiconductor cu trei electrozi, unul dintre tipurile de tranzistori. În structura semiconductoare, 2 joncțiune p-n iar transferul de sarcină în dispozitiv este efectuat de purtători de 2 tipuri - electroni și găuri. De aceea dispozitivul a fost numit „bipolar”.

Este utilizat în dispozitivele electronice pentru a îmbunătăți generarea de oscilații electrice și ca element de comutare a curentului, de exemplu, în circuitele logice electronice.

Electrozii sunt conectați la trei straturi consecutive ale unui semiconductor cu un tip alternativ de conducție a impurităților. Conform acestei metode de alternare, n-p-nși p-n-p tranzistoare ( n (negativ) - tip electronic de conductivitate a impurităților, p (pozitiv) - gaura).

Funcționarea unui tranzistor bipolar, spre deosebire de un tranzistor cu efect de câmp, se bazează pe transferul a două tipuri de sarcini simultan, ai căror purtători sunt electronii și găurile (de la cuvântul „bi” - „două”). Schema schematică a tranzistorului este prezentată în a doua figură.

Electrodul conectat la stratul mijlociu se numește baza, se numesc electrozii conectați la straturile exterioare emițătorși colector. Din punct de vedere al conductivităților, straturile emițător și colector nu se pot distinge. Dar, în practică, în fabricarea tranzistoarelor, pentru a îmbunătăți parametrii electrici ai dispozitivului, aceștia diferă semnificativ în gradul de dopaj cu impurități. Stratul emițător este puternic dopat, stratul colector este ușor dopat, ceea ce crește tensiunea admisă a colectorului. Valoarea tensiunii inverse de defalcare a joncțiunii emițătorului nu este critică, deoarece de obicei în circuite electronice tranzistoarele funcționează cu o joncțiune p-n emițător polarizat înainte, în plus, dopajul puternic al stratului emițător oferă o mai bună injectare a purtătorilor minoritari în stratul de bază, ceea ce crește coeficientul de transfer de curent în circuitele de bază comună. În plus, aria joncțiunii colectorului p-n în timpul fabricării este mult mai mare decât aria joncțiunii emițătorului, ceea ce asigură o colectare mai bună a purtătorilor minoritari din stratul de bază și îmbunătățește coeficientul de transmisie.

Pentru a crește viteza (parametrii de frecvență) ai unui tranzistor bipolar, grosimea stratului de bază trebuie să fie mai subțire, deoarece grosimea stratului de bază, printre altele, determină timpul de „zburare” (difuzia în dispozitivele fără derivă). ) de purtători minoritari, dar, cu scăderea grosimii bazei, limitarea tensiunea colectorului, astfel încât grosimea stratului de bază este aleasă pe baza unui compromis rezonabil.

Dispozitiv și principiu de funcționare

Tranzistoarele timpurii foloseau germaniu metalic ca material semiconductor. În prezent (2015), acestea sunt fabricate în principal din siliciu monocristal și arseniură de galiu monocristal. Datorită mobilității foarte mari a purtătorilor din arseniura de galiu, dispozitivele bazate pe aceasta au viteză mare și sunt folosite în circuite logice de ultra-înaltă viteză și în circuite amplificatoare cu microunde.

Un tranzistor bipolar este format din trei straturi semiconductoare dopate diferit: un emițător E(E), baze B(B) și colector C(LA). În funcție de alternanța tipului de conductivitate a acestor straturi, există n-p-n(emițător - n-semiconductor, bază − p- semiconductor, colector − n- semiconductor) și p-n-p tranzistoare. Contactele conductoare neredresoare sunt conectate la fiecare dintre straturi.

Stratul de bază este situat între straturile emițător și colector și este ușor dopat, prin urmare are o rezistență electrică ridicată. Suprafața totală de contact bază-emițător este mult mai mică decât aria de contact colector-bază (acest lucru se face din două motive - o zonă mare de joncțiune colector-bază crește probabilitatea ca purtătorii de sarcină minori să fie capturați de la bază la colector și, deoarece joncțiunea colector-bază este de obicei activată în modul de funcționare cu polarizare inversă, atunci când funcționează în joncțiunea colectorului, partea principală a căldurii disipate de dispozitiv este eliberată, o creștere a zonei contribuie la o mai bună eliminare a căldurii din joncțiunea colectorului ), prin urmare, un tranzistor bipolar de uz general real este un dispozitiv asimetric (este imposibil din punct de vedere tehnic să schimbați emițătorul și colectorul și să obțineți un tranzistor bipolar original similar - conexiune inversă).

În modul de funcționare cu amplificare activă, tranzistorul este pornit, astfel încât joncțiunea emițătorului este polarizată înainte (deschisă) și joncțiunea colectorului este polarizat invers (închis).

Pentru certitudine, luați în considerare lucrarea n-p-n tranzistor, toate argumentele sunt repetate exact în același mod pentru caz p-n-p tranzistor, cu înlocuirea cuvântului „electroni” cu „găuri”, și invers, precum și cu înlocuirea tuturor tensiunilor cu semne opuse. LA n-p-nÎntr-un tranzistor, electronii, purtătorii de sarcină principali din emițător, trec printr-o joncțiune deschisă emițător-bază (sunt injectați) în regiunea de bază. Unii dintre acești electroni se recombină cu cei mai mulți purtători de sarcină din bază (găuri). Cu toate acestea, datorită faptului că baza este foarte subțire și relativ ușor dopată, majoritatea electronilor injectați din emițător difuzează în regiunea colectorului, deoarece timpul de recombinare este relativ lung. Puternic câmp electric Joncțiunea colectorului polarizat invers captează purtătorii minoritari de la bază (electroni) și îi transferă în stratul colector. Curentul colectorului este astfel practic egal cu curentul emițătorului, cu excepția unei mici pierderi de recombinare în bază, care formează curentul de bază ( I e \u003d I b + I to).

Coeficientul α care raportează curentul emițătorului și curentul colectorului ( Eu k \u003d α I e) se numește coeficientul de transfer al curentului emițătorului. Valoarea numerică a coeficientului α este 0,9-0,999. Cu cât coeficientul este mai mare, cu atât tranzistorul transferă curentul mai eficient. Acest coeficient depinde puțin de tensiunile colector-bază și bază-emițător. Prin urmare, într-o gamă largă de tensiuni de funcționare, curentul colectorului este proporțional cu curentul de bază, factorul de proporționalitate este β = α / (1 - α), de la 10 la 1000. Astfel, un curent de bază mic poate fi controlat de un curent de colector mult mai mare.

Moduri de funcționare ale unui tranzistor bipolar

Voltaj pe emițător baza, colector ()	Părtinire tranziție bază-emițător pentru tipul n-p-n	Părtinire tranziție colector de bază pentru tipul n-p-n	Modul pentru tipul n-p-n
	direct	verso	normal modul activ
	direct	direct	modul de saturație
	verso	verso	modul de tăiere
	verso	direct	invers modul activ
Voltaj pe emițător baza, colector ()	Părtinire tranziție bază-emițător pentru tipul p-n-p	Părtinire tranziție colector de bază pentru tipul p-n-p	Modul pentru tipul p-n-p
	verso	direct	invers modul activ
	verso	verso	modul de tăiere
	direct	direct	modul de saturație
	direct	verso	normal modul activ

Mod activ normal

Joncțiunea emițător-bază este activată în direcția înainte (deschisă), iar joncțiunea colector-bază este în direcția inversă (închisă):

U EB > 0; U KB< 0 (pentru tranzistor n-p-n tip), pentru tranzistor p-n-p starea de tip va arăta ca U EB<0; U KB > 0.

Mod invers activ

Joncțiunea emițătorului este polarizată invers, iar joncțiunea colectorului este polarizat direct: U KB > 0; U EB< 0 (pentru tranzistor n-p-n tip).

Modul de saturație

Ambii pn tranzițiile sunt orientate înainte (ambele deschise). Dacă emiţător şi colector district-tranzițiile se conectează la surse externe în direcția înainte, tranzistorul va fi în modul de saturație. Câmpul electric de difuzie al joncțiunilor emițătorului și colectorului va fi parțial atenuat câmp electric generate de surse externe Webși Ukb. Ca urmare, bariera de potențial care limitează difuzia purtătorilor principali de sarcină va scădea și va începe pătrunderea (injecția) găurilor de la emițător și colector în bază, adică vor curge curenți prin emițător și colector de tranzistorul, numit curenți de saturație a emițătorului ( eu E. noi) și colecționar ( eu K. noi).

Tensiune de saturație colector-emițător(U KE. us) este căderea de tensiune pe un tranzistor deschis (analog semantic R SI. deschis tranzistoare cu efect de câmp). În mod similar tensiune de saturație bază-emițător(U BE us) este căderea de tensiune dintre bază și emițător pe un tranzistor deschis.

Modul de tăiere

În acest mod, ambele pn tranzițiile sunt inversate. Modul de tăiere corespunde condiției U EB<0, U KB<0.

regim de barieră

În acest mod baza tranzistor prin curent continuu scurtcircuitat sau printr-un mic rezistor la acesta colector, si in colector sau în emițător circuitul tranzistorului pornește un rezistor care stabilește curentul prin tranzistor. Într-o astfel de includere, tranzistorul este un fel de diodă conectată în serie cu un rezistor de setare a curentului. Astfel de circuite în cascadă se disting printr-un număr mic de componente, o decuplare bună de înaltă frecvență, un interval mare de temperatură de funcționare și insensibilitate la parametrii tranzistorului.

Scheme de comutare

Orice circuit de comutare a tranzistorului este caracterizat de doi indicatori principali:

• câștig de curent eu afară / eu intrare
• Impedanta de intrare Rîn = U in / eu intrare

Schema de cablare cu o bază comună

Schema de comutare cu o bază comună.

Amplificator de bază comun.

• Dintre toate cele trei configurații, are cea mai mică intrare și cea mai mare impedanță de ieșire. Are un câștig de curent apropiat de unitate și un câștig mare de tensiune. Nu inversează faza semnalului.
• eu afară / euîn = eu la / eu e = α [α<1].
• Impedanta de intrare Rîn = U in / euîn = U eb / eu e.

Rezistența de intrare (impedanța de intrare) a unei etape de amplificator cu o bază comună este mică, depinde de curentul emițătorului, cu o creștere a curentului scade și nu depășește unitățile - sute de ohmi pentru etapele de putere mică, deoarece circuitul de intrare a etajului este o joncțiune emițător deschisă a tranzistorului.

Avantaje

• Temperatură bună și gamă largă de frecvență, deoarece efectul Miller este suprimat în acest circuit.
• Tensiune ridicată admisă a colectorului.

Dezavantajele schemei de bază comună

• Câștig de curent mic, egal cu α, deoarece α este întotdeauna puțin mai mic decât 1
• Impedanță de intrare scăzută

Circuit de comutare cu un emițător comun

Circuit de comutare cu un emițător comun.
eu afară = eu la
euîn = eu b
Uîn = U bae
U afară = U ke.

• Câștig curent: eu afară / euîn = eu la / eu b = eu la /( eu e -I k) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Impedanta de intrare: Rîn = U in / euîn = U bae / eu b.

Avantaje

• Câștig mare de curent.
• Câștig mare de tensiune.
• Cel mai mare spor de putere.
• Te poți descurca cu o singură sursă de alimentare.
• Tensiunea AC de ieșire este inversată față de intrare.

Defecte

• Are mai puțină stabilitate la temperatură. Proprietățile de frecvență ale unei astfel de incluziuni sunt semnificativ mai rele în comparație cu un circuit cu o bază comună, care se datorează efectului Miller.

Circuitul colector comun

Schema de comutare cu un colector comun.
eu afară = eu uh
euîn = eu b
Uîn = U bq
U afară = U ke.

• Câștig curent: eu afară / euîn = eu e/ eu b = eu e /( eu e -I k) = 1/(1-α) = β [β>>1].
• Impedanta de intrare: Rîn = U in / euîn = ( U bae + U ke)/ eu b.

Avantaje

• Impedanta mare de intrare.
• Impedanță scăzută de ieșire.

Defecte

• Câștigul de tensiune este puțin mai mic decât 1.

Un circuit cu o astfel de includere este adesea numit " adept emițător».

parametrii principali

• Coeficientul de transfer curent.
• impedanta de intrare.
• conductivitate de ieșire.
• Curent invers colector-emițător.
• Ora de pornire.
• Frecvența limită a raportului de transfer al curentului de bază.
• Curent invers al colectorului.
• Curentul maxim admisibil.
• Frecvența de tăiere a coeficientului de transfer de curent într-un circuit cu emițător comun.

Parametrii tranzistorului sunt împărțiți în proprii (primari) și secundari. Parametrii proprii caracterizează proprietățile tranzistorului, indiferent de schema de includere a acestuia. Următorii sunt acceptați ca principali parametri proprii:

• câștig de curent α;
• emițător, colector și rezistențe AC de bază r uh, r la, r b, care sunt:
  • r e - suma rezistentelor regiunii emitatorului si jonctiunii emitatorului;
  • r k este suma rezistențelor regiunii colectorului și joncțiunii colectorului;
  • r b - rezistența transversală a bazei.

Tranzistor bipolar circuit echivalent folosind h-parametrii.

Parametrii secundari sunt diferiți pentru diferite circuite de comutare a tranzistorului și, datorită neliniarității sale, sunt valabili numai pentru frecvente joaseși amplitudini mici ale semnalului. Pentru parametrii secundari, au fost propuse mai multe sisteme de parametri și circuitele lor echivalente corespunzătoare. Principalii sunt parametri mixți (hibrizi), notați cu litera " h».

Impedanta de intrare- rezistenţa tranzistorului la curentul alternativ de intrare la scurt circuit la iesire. Modificarea curentului de intrare este rezultatul modificării tensiunii de intrare, fără efectul feedback-ului de la tensiunea de ieșire.

h 11 = U m1 / eu m1 , la U m2 = 0.

Factor de feedback de tensiune arată ce procent din ieșire Tensiune AC este transmisă la intrarea tranzistorului datorită feedback-ului din acesta. Nu există curent alternativ în circuitul de intrare al tranzistorului, iar modificarea tensiunii de intrare are loc numai ca urmare a unei modificări a tensiunii de ieșire.

h 12 = U m1 / U m2 , la eu m1 = 0.

Raportul de transfer curent(câștig de curent) indică câștigul de curent alternativ la rezistența de sarcină zero. Curentul de ieșire depinde numai de curentul de intrare fără influența tensiunii de ieșire.

h 21 = eu m2 / eu m1 , la U m2 = 0.

Conductanță de ieșire- conductie interna pentru curent alternativ intre bornele de iesire. Curentul de ieșire se modifică sub influența tensiunii de ieșire.

h 22 = eu m2 / U m2 , la eu m1 = 0.

Relația dintre curenții alternativi și tensiunile tranzistorului este exprimată prin ecuațiile:

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

În funcție de circuitul de comutare al tranzistorului, la indicii digitali ai parametrilor h se adaugă litere: "e" - pentru circuitul OE, "b" - pentru circuitul OB, "k" - pentru circuitul OK.

Pentru schema OE: eu m1 = eu mb, eu m2 = eu mk, U m1 = U mb-e, U m2 = U mk-e. De exemplu, pentru această schemă:

h 21e = eu mk / eu mb = β.

Pentru schema OB: eu m1 = eu pe mine, eu m2 = eu mk, U m1 = U eu-b, U m2 = U mk-b.

Parametrii intrinseci ai tranzistorului sunt legati de h-parametri, de exemplu pentru schema OE:

;

;

;

.

Frecvență ascendentă influenta negativa capacitatea joncțiunii colectorului începe să lucreze la tranzistor C k. Rezistența de capacitate scade, curentul prin rezistența de sarcină scade și, în consecință, câștigurile α și β. Rezistența capacității joncțiunii emițătorului C e, de asemenea, scade, cu toate acestea, este manevrat de o mică rezistență de tranziție rși în majoritatea cazurilor pot fi ignorate. În plus, odată cu creșterea frecvenței, apare o scădere suplimentară a coeficientului β ca urmare a întârzierii fazei curentului colectorului față de faza curentului emițătorului, care este cauzată de inerția procesului de deplasare a purtătorilor prin bază de la emițător. joncțiunea cu joncțiunea colector și inerția proceselor de acumulare și resorbție a sarcinii în bază. Se numesc frecvențele la care coeficienții α și β scad cu 3 dB frecvențele limită ale coeficientului de transfer de curent pentru schemele OB și, respectiv, OE.

În modul pulsat, impulsul de curent al colectorului începe cu o întârziere cu timpul de întârziere τc în raport cu impulsul de curent de intrare, care este cauzat de timpul finit de tranzit al purtătorilor prin bază. Pe măsură ce purtătorii se acumulează în bază, curentul colectorului crește pe durata frontului τ f. La timp tranzistorul se numește τ pe = τ c + τ f.

Tehnologii de fabricare a tranzistorilor

• Aliaj de difuzie.

Aplicarea tranzistoarelor

• Amplificatoare, etape de amplificare
• Demodulator (Detector)
• Invertor (element log.)
• Microcircuite pe logica tranzistorului (vezi.

La un moment dat, tranzistorii au venit să înlocuiască tuburile cu vid. Acest lucru s-a datorat faptului că au dimensiuni mai mici, fiabilitate ridicată și costuri de producție mai puțin costisitoare. Acum, tranzistori bipolarisunt elementele de bază în toate circuitele de amplificare.

Este un element semiconductor având o structură cu trei straturi, care formează două joncțiuni electron-gaură. Prin urmare, un tranzistor poate fi reprezentat ca două diode back-to-back. În funcție de care vor fi principalii purtători de taxe, există p-n-pși n-p-n tranzistoare.

Baza- un strat semiconductor, care stă la baza designului tranzistorului.

emițător numit strat semiconductor, a cărui funcție este injectarea purtătorilor de sarcină în stratul de bază.

Colector numit strat semiconductor, a cărui funcție este de a colecta purtătorii de sarcină care au trecut prin stratul de bază.

De regulă, emițătorul conține un număr mult mai mare de sarcini de bază decât baza. Aceasta este condiția principală pentru funcționarea tranzistorului, deoarece în acest caz, cu polarizarea directă a joncțiunii emițătorului, curentul va fi determinat de purtătorii principali ai emițătorului. Emițătorul își va putea îndeplini funcția principală - injectarea purtătorilor în stratul de bază. Curentul emițătorului invers se încearcă de obicei să fie cât mai mic posibil. O creștere a purtătorilor majoritari ai emițătorului se realizează prin utilizarea unei concentrații ridicate de impurități.

Baza este realizată cât se poate de subțire. Aceasta este legată de durata de viață a taxelor. Purtătorii de încărcare trebuie să traverseze baza și să se recombine cât mai puțin cu purtătorii principali ai bazei pentru a ajunge la colector.

Pentru ca colectorul să poată colecta mai complet purtătorii care au trecut prin bază, încearcă să o facă mai lată.

Principiul de funcționare al tranzistorului

Luați în considerare exemplu p-n-p tranzistor.

În absența tensiunilor externe se stabilește o diferență de potențial între straturi. Potențiale bariere sunt instalate la treceri. Mai mult, dacă numărul de găuri în emițător și colector este același, atunci barierele potențiale vor fi de aceeași lățime.

Pentru ca tranzistorul să funcționeze corect, joncțiunea emițătorului trebuie să fie polarizată direct și joncțiunea colectorului polarizat invers.. Acesta va corespunde modului activ al tranzistorului. Pentru a realiza o astfel de conexiune sunt necesare două surse. O sursă cu tensiunea Ue este conectată cu un pol pozitiv la emițător și un pol negativ la bază. O sursă cu tensiunea Uk este conectată cu un pol negativ la colector și pozitiv la bază. Și Ue< Uк.

Sub acțiunea tensiunii Ue, joncțiunea emițătorului este deplasată în direcția înainte. După cum se știe, atunci când tranziția electron-gaură este polarizată înainte, câmpul extern este direcționat opus câmpului de tranziție și, prin urmare, îl reduce. Purtătorii principali încep să treacă prin tranziție, în emițător acestea sunt găurile 1-5, iar în electronii de bază 7-8. Și deoarece numărul de găuri din emițător este mai mare decât numărul de electroni din bază, curentul emițătorului se datorează în principal acestora.

Curentul emițătorului este suma componentei de gaură a curentului emițătorului și a componentei electronice a bazei.

Deoarece doar componenta orificiului este utilă, ei încearcă să facă componenta electronică cât mai mică posibil. Caracteristica calitativă a joncțiunii emițătorului este raportul de injecție.

Ei încearcă să aducă coeficientul de injecție mai aproape de 1.

Găurile 1-5 care au trecut în bază se acumulează pe marginea joncțiunii emițătorului. Astfel, se creează o concentrație mare de găuri în apropierea emițătorului și o concentrație scăzută în apropierea joncțiunii colectorului, în urma căreia începe mișcarea de difuzie a găurilor de la emițător la joncțiunea colectorului. Dar în apropierea joncțiunii colectorului, concentrația de găuri rămâne zero, deoarece de îndată ce găurile ajung la joncțiune, acestea sunt accelerate de câmpul său intern și sunt extrase (trase) în colector. Electronii sunt respinși de acest câmp.

În timp ce găurile traversează stratul de bază, se recombină cu electronii aflați acolo, de exemplu, ca gaura 5 și electronul 6. Și, deoarece găurile intră în mod constant, creează o sarcină pozitivă în exces, prin urmare, electronii trebuie să intre și ei, care sunt trase prin borna de bază și formează curentul de bază Ibr. Aceasta este o condiție importantă pentru funcționarea tranzistorului – concentrația găurilor din bază ar trebui să fie aproximativ egală cu concentrația de electroni. Cu alte cuvinte trebuie asigurată neutralitatea electrică a bazei.

Numărul de găuri care au ajuns la colector este mai mic decât numărul de găuri care au părăsit emițătorul cu cantitatea de găuri recombinate din bază. Acesta este, Curentul colectorului diferă de curentul emițătorului prin curentul de bază.

De aici vine coeficient de transfer purtători, pe care încearcă să-i apropie și de 1.

Curentul de colector al tranzistorului este format din componenta orificiului Icr și curentul invers al colectorului.

Curentul invers al colectorului apare ca urmare a polarizării inverse a joncțiunii colectorului, prin urmare este format din purtători minoritari ai unei găuri 9 și a unui electron 10. Tocmai pentru că curentul invers este format din purtători minoritari depinde doar de proces de generare termică, adică pe temperatură. Prin urmare, este adesea numit curent termic.

Calitatea tranzistorului depinde de mărimea curentului termic, cu cât este mai mic, cu atât tranzistorul este mai bun.

Curentul colectorului este cuplat la emițător raportul de transfer curent.

Curenții dintr-un tranzistor pot fi reprezentați după cum urmează

Raportul de bază pentru curenții de tranzistor

Curentul colectorului poate fi exprimat ca

Din cele de mai sus se poate concluziona că Schimbând curentul în circuitul bază-emițător, putem controla curentul de ieșire al colectorului. Mai mult, o ușoară modificare a curentului de bază determină o modificare semnificativă a curentului colectorului.

În funcție de principiul de funcționare și de caracteristicile de proiectare, tranzistoarele sunt împărțite în două clase mari: bipolarși camp.

tranzistor bipolar- Acesta este un dispozitiv semiconductor cu două joncțiuni pn care interacționează și trei sau mai multe concluzii.

Cristalul semiconductor al unui tranzistor este format din trei regiuni cu tipuri alternative de conductivitate electrică, între care există două r-p-tranziție. Regiunea de mijloc este de obicei foarte subțire (fracții de micron), deci r-p tranzițiile sunt strâns distanțate una de alta.

În funcţie de ordinea de alternanţă a regiunilor semiconductoare cu tipuri variate conductivitatea electrică distinge tranzistoarele r-p-rși p-r-p- tipuri . Structuri simplificate și UGO tipuri diferite tranzistoarele sunt prezentate în figura 1.23, A, b.

Figura 1.23 - Structura și UGO ale tranzistoarelor bipolare

Tranzistorul bipolar este cel mai comun dispozitiv semiconductor activ. Siliciul este utilizat în prezent ca material principal pentru fabricarea tranzistoarelor bipolare. În acest caz, tranzistoarele sunt fabricate în principal p-r-p-tip, în care principalii purtători de sarcină sunt electronii având o mobilitate de două până la trei ori mai mare decât mobilitatea găurilor.

Controlul valorii curentului care curge în circuitul de ieșire (în circuitul colector sau emițător) al tranzistorului bipolar se realizează folosind curent în circuitul electrodului de comandă - bază. baza numit in medie stratul din structura tranzistorului. Straturile exterioare sunt numite emițător (a emite, a scoate) și colector (aduna). Concentrația de impurități (și, în consecință, purtătorii principali de sarcină) în emițător este mult mai mare decât în ​​bază și mai mare decât în ​​colector. Prin urmare, regiunea emițătoare este cea mai mare cu rezistență scăzută.

Pentru a ilustra procesele fizice din tranzistor, folosim structura simplificată a tranzistorului p-r-p- tipul prezentat în Figura 1.24. Pentru a înțelege principiul de funcționare al unui tranzistor, este extrem de important să luați în considerare acest lucru r-p Joncțiunile tranzistoarelor interacționează puternic între ele. Aceasta înseamnă că curentul unei joncțiuni afectează puternic curentul celeilalte și invers.

În modul activ (când tranzistorul funcționează ca element de amplificare), două surse de alimentare sunt conectate la tranzistor în așa fel încât emițător tranziția a fost mutată redirecţiona, A colector - în sens invers(Figura 1.24). Sub acţiunea câmpului electric al sursei E BE prin joncțiunea emițătorului curge un curent direct suficient de mare eu E, care este furnizat în principal de injecţie electroni de la emițător în bază Injectarea găurilor de la bază în emițător va fi nesemnificativă datorită diferenței de mai sus în concentrațiile atomilor de impurități.

Figura 1.24 - Procese fizice într-un tranzistor bipolar

Fluxul de electroni care furnizează curent eu E prin emițătorul de tranziție - bază este prezentat în Figura 1.24 cu o săgeată largă. O parte din electroni injectați în regiunea de bază (1 ... 5%) recombina cu purtătorii de sarcină principali pentru această regiune - găuri, formând un curent în circuitul extern al bazei eu B. Datorită diferenței mari în concentrațiile purtătorilor de sarcină principali în emițător și bază, electronii necompensați injectați în bază se deplasează adânc în ea spre colector.

Aproape de colector r-p- electroni de tranziție sunt supuse unui câmp electric accelerat această tranziție inversă. Și din moment ce sunt transportatori minori în baza de date, se întâmplă retragere (extracţie ) electroni în regiunea colectorului. În colector, electronii devin principalii purtători de sarcină și ajung cu ușurință la terminalul colectorului, creând un curent în circuitul extern al tranzistorului.

În acest fel, curentul prin borna de bază a tranzistorului este determinat de două componente de curent direcționate opus. Dacă nu ar exista procese de recombinare în bază, atunci acești curenți ar fi egali între ei, iar curentul de bază rezultat ar fi egal cu zero. Dar, deoarece procesele de recombinare sunt prezente în orice tranzistor real, curentul emițătorului pn-tranzitie putin mai mare decat curentul colectorului pn-tranziție.

Pentru curentul colectorului, putem scrie următoarea ecuație

, (1.9)

unde un Sf- coeficientul de transfer al curentului emițătorului static;

Eu KBO- curent invers al joncțiunii colectorului (curent termic) (pentru tranzistoarele de putere mică la temperatură normală este de 0,015 ... 1 μA).

În practică, coeficientul de transfer de curent al emițătorului static a Sf, în funcție de tipul de tranzistor, poate lua valori în intervalul 0,95 ... 0,998.

Curentul emițătorului din tranzistor este numeric cel mai mare și este egal cu

, (1.11)

unde este coeficientul de transfer de curent static al bazei într-un circuit cu un emițător comun (în literatura de referință, denumirea este utilizată h 21E, ia de obicei valoarea b Sf= 20 ... 1000 în funcție de tipul și puterea tranzistorului).

Din cele de mai sus rezultă că tranzistorul este un element controlat, deoarece valoarea curentului său de colector (ieșire) depinde de valorile curenților emițătorului și de bază.

Terminând luarea în considerare a principiului de funcționare a unui tranzistor bipolar, trebuie remarcat faptul că rezistența unei joncțiuni colectoare polarizate invers (atunci când i se aplică o tensiune inversă) este foarte mare (sute de kilo-ohmi). De aceea în circuitul colectorului, puteți include rezistențe de sarcină cu foarte rezistență mare , astfel practic neschimbând valoarea curentului de colector. În consecință, în circuitul de sarcină va fi alocată o putere semnificativă.

Rezistența unei joncțiuni emițătorului polarizat direct, dimpotrivă, este foarte mică (de la zeci până la sute de ohmi). Prin urmare, aproape aceleasi valori curenții emițătorului și colectorului, puterea consumată în circuitul emițătorului se dovedește a fi semnificativ mai mică decât puterea eliberată în circuitul de sarcină. Aceasta indică faptul că Un tranzistor este un dispozitiv semiconductor care amplifică puterea..

Tehnologia de fabricație a tranzistoarelor bipolare poate fi diferită: fuziune, difuziune , epitaxie. Acest lucru determină în mare măsură caracteristicile dispozitivului. Structuri tipice ale tranzistoarelor bipolare fabricate diverse metode sunt prezentate în Figura 1.25. În special, în figura 1.25, A structura prezentată plutitoare, în figura 1.25, b - epitaxial-difuziune, în figura 1.25, în - plană, în figura 1.25, G - mesaplanar tranzistoare.

Figura 1.25 - Metode de fabricare a tranzistoarelor bipolare

Moduri de funcționare și circuite de comutare a tranzistorilor

Pentru fiecare r-p- joncțiunea tranzistorului poate fi alimentată atât cu tensiune directă, cât și inversă. În conformitate cu aceasta, se disting patru moduri de funcționare a unui tranzistor bipolar: modul a tăia calea, modul saturare, activ modul și invers modul.

Activ modul este furnizat prin furnizarea unei tensiuni continue la joncțiunea emițătorului și a unei tensiuni inverse la joncțiunea colectorului (modul principal de funcționare al tranzistorului). Acest mod corespunde valorii maxime a coeficientului de transfer al curentului emițătorului și asigură o distorsiune minimă a semnalului amplificat.

LA invers modul, o tensiune directă este aplicată joncțiunii colectorului și o tensiune inversă este aplicată joncțiunii emițătorului (o Sf®min; foarte rar folosit).

În modul saturare ambele joncțiuni sunt sub polarizare directă. În acest caz, curentul de ieșire nu depinde de curentul de intrare și este determinat doar de parametrii de sarcină.

În modul a tăia calea ambele joncțiuni sunt polarizate invers. Curentul de ieșire este aproape de zero.

Modurile de saturație și de tăiere sunt utilizate simultan în scheme cheie(când tranzistorul funcționează în modul cheie).

Când utilizați un tranzistor în dispozitive electronice, sunt necesari doi pini pentru a furniza semnalul de intrare și doi pini pentru a conecta sarcina (înlăturați semnalul de ieșire). Deoarece tranzistorul are doar trei pini, unul dintre ei trebuie să fie comun pentru semnalele de intrare și de ieșire.

În funcție de ce ieșire a tranzistorului este comună la conectarea sursei de semnal și a sarcinii, există trei scheme de comutare a tranzistorului: cu bază comună(OB) (Figura 1.26, A); Cu emițător comun(OE) (Figura 1.26, b); Cu colector comun(OK) (Figura 1.26, în).

În aceste diagrame, sursele tensiune constantă iar rezistențele oferă modurile de funcționare ale tranzistoarelor pentru curent continuu, adică valorile necesare ale tensiunilor și curenților inițiali. Semnalele de intrare AC sunt generate de surse si in. Ele modifică curentul emițătorului (bază) al tranzistorului și, în consecință, curentul colectorului. Creșterea curentului de colector (Figura 1.26, A, b) și curentul emițătorului (Figura 1.26, în) vor crea, respectiv, pe rezistențe R Kși R E incremente de tensiune, care sunt semnalele de ieșire si afara.

a B C

Figura 1.26 - Circuite de comutare a tranzistorului

La determinarea circuitului de comutare a tranzistorului, este necesar să se țină seama de faptul că rezistența sursei de tensiune DC pentru AC este aproape de zero.

Caracteristicile curent-tensiune ale tranzistorului

Proprietățile unui tranzistor bipolar sunt descrise cel mai pe deplin folosind caracteristicile statice curent-tensiune. În acest caz, se disting caracteristicile I-V de intrare și de ieșire ale tranzistorului. Deoarece toți cei trei curenți (bază, colector și emițător) dintr-un tranzistor sunt strâns interconectați, atunci când se analizează funcționarea unui tranzistor, este necesar să se utilizeze atât caracteristicile I-V de intrare, cât și de ieșire.

Fiecare circuit de comutare al tranzistorului are propriile caracteristici curent-tensiune, care sunt dependența funcțională a curenților prin tranzistor de tensiunile aplicate. Datorită naturii neliniare a acestor dependențe, ele sunt de obicei prezentate sub formă grafică.

Tranzistorul, ca un cvadripol, este caracterizat intrareși weekend caracteristici statice I–V, care arată, respectiv, dependența curentului de intrare de tensiunea de intrare (la o valoare constantă a tensiunii de ieșire a tranzistorului) și a curentului de ieșire de tensiunea de ieșire (la un curent de intrare constant al tranzistorului). ).

Figura 1.27 prezintă caracteristicile statice I–V r-p-r-tranzistor conectat conform schemei cu OE (cel mai des folosit in practica).

a b

Figura 1.27 - Caracteristicile statice IV ale unui tranzistor bipolar conectat conform circuitului cu OE

Intrare CVC (Figura 1.27, A) este similară cu ramura directă a CVC a diodei. Reprezintă dependența curentului eu B de la tensiune TU FI U CE, adică o dependență a formei

. (1.12)

Din figura 1.27, A Se poate observa că cu cât tensiunea este mai mare U CE, cu atât ramura CVC-ului de intrare este deplasată mai spre dreapta. Acest lucru se datorează faptului că, pe măsură ce tensiunea de polarizare inversă crește, U CE are loc o creștere a înălțimii barierei de potențial a colectorului R-P-tranziție. Și din moment ce într-un tranzistor colectorul și emițătorul R-P-joncțiunile interacționează puternic, aceasta, la rândul său, duce la o scădere a curentului de bază la o tensiune constantă TU FI.

Caracteristicile statice IV, prezentate în Figura 1.27, A luate la temperatura normala (20°C). Pe măsură ce temperatura crește, aceste caracteristici se vor deplasa spre stânga și, pe măsură ce scad, se vor deplasa spre dreapta. Acest lucru se datorează faptului că odată cu creșterea temperaturii, conductivitatea electrică intrinsecă a semiconductorilor crește.

Pentru circuitul de ieșire al unui tranzistor conectat conform circuitului OE, este construită o familie de caracteristici I-V de ieșire (Figura 1.27, b). Acest lucru se datorează faptului că curentul de colector al tranzistorului depinde nu numai (și nu atât de mult, așa cum se poate observa din figură) de tensiunea aplicată joncțiunii colectorului, ci și de curentul de bază. Astfel, caracteristica curent-tensiune de ieșire pentru un circuit cu OE este dependența de curent eu K de la tensiune U CE la curent fix eu B, adică o dependență a formei

. (1.13)

Fiecare dintre caracteristicile de ieșire I-V ale unui tranzistor bipolar este caracterizată la început de o creștere bruscă a curentului de ieșire eu K cu creșterea tensiunii de ieșire U CE, iar apoi, pe măsură ce tensiunea crește în continuare, o ușoară modificare a curentului.

Pe caracteristica I-V de ieșire a tranzistorului pot fi distinse trei regiuni, corespunzătoare diferitelor moduri de funcționare ale tranzistorului: saturare, zona a tăia calea si zona munca activă(câştig) , corespunzătoare stării active a tranzistorului, când ½ TU FI½ > 0 și ½ U CE½> 0.

Caracteristicile I-V statice de intrare și ieșire ale tranzistorilor sunt utilizate în calculul analitic grafic al cascadelor care conțin tranzistori.

Caracteristicile statice de intrare și ieșire IV ale unui tranzistor bipolar R-P-R-tip pentru circuitul de comutare cu OB sunt prezentate în Figura 1.28, Ași 1,28, b respectiv.

a b

Figura 1.28 - Caracteristicile statice IV ale unui tranzistor bipolar pentru un circuit de comutare cu DESPRE

Pentru un circuit cu DESPRE caracteristica statică I–V de intrare, se numește dependența de curent eu E de la tensiune U EB la o valoare fixă ​​a tensiunii U KB, adică o dependență a formei

. (1.14)

Caracteristica I–V statică de ieșire pentru un circuit cu OB se numește dependență de curent eu K de la tensiune U KB la curent fix eu E, adică o dependență a formei

. (1.15)

În figura 1.28, b se pot distinge două regiuni, corespunzătoare a două moduri de funcționare a tranzistorului: activ modul ( U KB< 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим saturare(U KB > 0 și joncțiunea colectorului este polarizat înainte).

Modelul matematic al unui tranzistor bipolar

Până în prezent, sunt cunoscute multe modele electrice de tranzistoare bipolare. În sistemele de automatizare de proiectare (CAD) a mijloacelor electronice, cele mai frecvent utilizate sunt: ​​modelele Ebers-Moll, modelul generalizat de control al sarcinii Hummel-Poon, modelul Linville, precum și modelele locale în formă de P și T ale lui Giacolleto ale incrementelor liniare. .

Luați în considerare, ca exemplu, una dintre variantele modelului Ebers-Moll (Figura 1.29), care reflectă proprietățile structurii tranzistorului în modul liniar de funcționare și în modul cutoff.

Figura 1.29 - Circuit echivalent tranzistor bipolar (modelul Ebers-Moll)

Figura 1.29 folosește notația: r e, r b, r la- rezistenta, respectiv, a regiunilor emitator, baza si colector ale tranzistorului si contactele la acestea; eu b , eu să - controlat de tensiune la joncțiunea de intrare, surse de curent care reflectă transferul de curent prin tranzistor; R eb- rezistența la scurgere a joncțiunii bază-emițător; R kb - rezistența la scurgere a joncțiunii bază-colector. Sursa de curent eu b este legată de tensiunea la joncțiune prin relația

, (1.15)

Unde Eu BO- curent de saturație al tranziției bază-emițător (curent invers);

y la= (0,3 ... 1,2) V - diferența de potențial de contact (depinde de tipul materialului semiconductor);

t- coeficient empiric.

Paralel cu joncțiunea bază-emițător inclusă barieră capacitate C baeși difuziune capacitate C de tranziție. Valoare C bae determinat tensiune inversă la trecere si nși dependentă legal de el

, (1.16)

unde С 0 b - capacitatea de transfer la și n = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - coeficient în funcție de distribuția impurităților în regiunea de bază a tranzistorului.

Capacitate de difuzie este o funcție a curentului eu b, care curge prin tranziție și este determinată de expresie

Unde DAR - coeficient în funcție de proprietățile tranziției și de temperatura acesteia.

Joncțiunea colector-bază este modelată în mod similar, singura diferență este că se ia în considerare doar capacitatea de barieră a joncțiunii

, (1.18)

deoarece atunci când tranzistorul funcționează într-un mod liniar și în modul de întrerupere a curentului de colector, această tranziție este închisă. Expresie pentru curent sursă de curent controlată a colectorului, modelând proprietățile de amplificare ale tranzistorului, are forma

, (1.19)

unde b Sf- coeficientul de transfer de curent static al bazei tranzistorului într-un circuit cu emițător comun.

Parametrii modelului Ebers-Moll pot fi obținuți fie prin calcul pe baza analizei modelului fizico-topologic al tranzistorului, fie măsurați experimental. Parametrii statici ai modelului se determina cel mai usor la curent continuu.

Global modelul electric al unui tranzistor bipolar discret, luând în considerare inductanța și capacitatea ieșirilor sale, este prezentat în figura 1.30.

Figura 1.30 - Modelul global al unui tranzistor bipolar

Parametrii de bază ai unui tranzistor bipolar

La determinarea componentelor variabile ale curenților și tensiunilor (adică atunci când se analizează circuite electrice pe curent alternativ) și cu condiția ca tranzistorul să fie în modul activ, acesta este adesea reprezentat ca un cvadripol liniar (Figura 1.31, A). Numele (esența fizică) ale curenților și tensiunilor de intrare și de ieșire ale unei astfel de rețele cu patru terminale depind de circuitul de comutare a tranzistorului.

a b

Figura 1.31 - Reprezentarea unui tranzistor bipolar printr-un cvadripol liniar

Pentru circuitul de comutare al unui tranzistor cu un emițător comun, curenții și tensiunile cvadripolului (Figura 1.31, b) corespund următoarelor curenți și tensiuni ale tranzistorului:

- i 1 - componenta variabila a curentului de baza;

- u 1 - componenta variabila a tensiunii dintre baza si emitator;

- i 2 - componenta variabila a curentului colectorului;

- u 2 - componenta variabilă a tensiunii dintre colector și emițător.

Tranzistorul este descris convenabil folosind așa-numitul h-Opțiuni. În acest caz, sistemul de ecuații al cvadripolului sub formă de matrice ia forma

. (1.20)

Cote h ij(acesta este h-parametri) definesc empiric, folosind la rândul său modurile de scurtcircuit și inactiv la intrarea și ieșirea cvadripolului.

Esență h- parametrii pentru circuitul de comutare al unui tranzistor cu OE este următorul:

- - rezistenta de intrare a tranzistorului pentru un semnal variabil cu scurtcircuit la iesire;

- - conductivitatea de ieșire a tranzistorului la ralanti la intrare;

- - coeficient de feedback de tensiune în gol la intrare;

- - coeficientul de transfer de curent al tranzistorului în cazul unui scurtcircuit la ieșire.

Folosind circuitul echivalent al tranzistorului, puteți găsi dependența h-parametri din parametrii tranzistorului.

În special, se poate demonstra că pentru circuitul de comutare al unui tranzistor cu OE, au loc următoarele relații:

În formulele de mai sus, următoarele opțiuni tranzistoare:

- r b- rezistenta ohmica a corpului de baza. Pentru tranzistoarele reale, atinge valori de 100 ... 200 Ohmi;

- r e- rezistenta R-P-tranziție, a cărei valoare depinde de modul de funcționare al tranzistorului și modificări în modul activ în fracții - zeci de ohmi;

B- factor diferenţial transmisia curentului de bază, determinată din expresie

; (1.25)

Rezistența regiunii colectoare, determinată din expresie

, (1.26)

Unde r la- rezistența diferențială a joncțiunii colectorului (de obicei în cadrul unei fracțiuni - zeci de MΩ), determinată din expresie

(1.27)

Adăugat 21 octombrie 2016 la 17:45

Capitolul 2 - Teoria dispozitivelor cu stare solidă

Tranzistorul bipolar a fost numit astfel deoarece funcționarea sa implică mișcarea a doi purtători de sarcină: electroni și găuri în același cristal. Primul tranzistor bipolar a fost inventat la Bell Labs de William Shockley, Walter Brattain și John Bardeen la sfârșitul anului 1947 și, prin urmare, nu a fost publicat până în 1948. Astfel, multe texte diferă la data inventării. Brattain a făcut un tranzistor punctual cu germaniu, care seamănă oarecum cu o diodă punctiformă. În decurs de o lună, Shockley a avut un tranzistor bipolar de joncțiune mai practic, pe care îl descriem mai jos. În 1956, pentru inventarea tranzistorului, au fost premiați Premiul Nobelîn fizică.

Tranzistorul bipolar prezentat în figura de mai jos (a) este un sandwich semiconductor NPN cu trei straturi, cu un emițător și un colector la capete și o bază între ele. Este ca și cum un al treilea strat a fost adăugat la o diodă cu două straturi. Dar dacă aceasta ar fi singura cerință, ar fi suficientă o pereche de diode back-to-back. Și este mult mai ușor să faci o pereche de diode situate „spate în spate”. Dar baza realizării unui tranzistor bipolar este de a face stratul mijlociu, baza, cât mai subțire posibil, fără a scurtcircuita straturile exterioare, emițător și bază. Importanța suprafeței de bază subțiri nu poate fi subliniată.

Dispozitivul semiconductor din figura de mai jos (a) are două joncțiuni, între emițător și bază și între bază și colector și două regiuni de epuizare.

(a) Tranzistor bipolar NPN.
(b) Aplicarea unei polarizări inverse la joncțiunea bază-colector.

Este obișnuit să se aplice o polarizare inversă la joncțiunea bază-colector a unui tranzistor bipolar, așa cum se arată în figura de mai sus (b). Rețineți că aceasta crește lățimea regiunii de epuizare. Tensiunea de polarizare inversă pentru majoritatea tranzistoarelor poate varia de la câțiva volți la zeci de volți. În prezent, nu există curent în circuitul colectorului, altul decât curentul de scurgere.

În figura de mai jos (a), o altă sursă de tensiune a fost adăugată la circuitul dintre emițător și bază. De obicei, aplicăm o polarizare directă joncțiunii emițător-bază care depășește bariera potențială de 0,6V. Este ca o schimbare înainte dioda semiconductoare. Sursa de tensiune trebuie să depășească 0,6 V pentru ca purtătorii majoritari (electroni pentru NPN) să înceapă să curgă de la emițător la bază, devenind purtători de sarcină minoritari în semiconductorul de tip P.

Dacă regiunea de bază ar fi groasă, ca într-o pereche de diode back-to-back, tot curentul care curge în bază ar curge prin cablul de bază. În exemplul nostru de tranzistor NPN, electronii care ies din emițător în bază se vor combina cu găurile din bază, făcând loc pentru crearea mai multor găuri pe borna (+) a bateriei conectată la bază odată ce electronii au plecat.

Cu toate acestea, baza este subțire. Mai mulți purtători majoritari în emițător introduși ca purtători minoritari în bază se recombină de fapt. Vezi figura de mai jos (b). Mai mulți electroni introduși de emițător în baza tranzistorului NPN cad în găuri. De asemenea, câțiva electroni care intră în bază vor curge direct prin bază către borna pozitivă a bateriei. Majoritatea fluxului de electroni al emițătorului difuzează prin baza subțire în colector. În plus, o mică modificare a curentului de bază are ca rezultat o schimbare mare a curentului colectorului. Dacă tensiunea de bază scade sub aproximativ 0,6 volți pentru un tranzistor de siliciu, atunci nu mai curge. curent mare emiţător-colector.

Tranzistor bipolar NPN bipolar invers colector-bază: (a) Adăugarea polarizării directe la joncțiunea bază-emițător are ca rezultat (b) curent de bază scăzut și curenți ridicati de emițător și colector.

În figura de mai jos, aruncăm o privire mai atentă asupra mecanismului actual de amplificare. Avem o vedere mărită a joncțiunilor unui tranzistor bipolar NPN, cu accent pe regiunea de bază subțire. Deși nu sunt prezentate, presupunem că sursele externe de tensiune sunt conectate: (1) joncțiune emițător-bază polarizat direct, (2) joncțiune bază-colector polarizat invers. Electronii, purtătorii majoritari, intră în emițător de la borna (-) a bateriei. Curentul de bază corespunde electronilor care părăsesc borna de bază către borna (+) a bateriei. Cu toate acestea, acesta este un curent mic în comparație cu curentul emițătorului.

Electronii incluși în bază:
(a) Pierdut din cauza recombinării cu găurile de bază.
(b) Ieșire de bază de ieșire.
(c) Cel mai difuz de la emițător prin baza subțire în regiunea de epuizare a colectorului de bază,
și (d) sunt captate rapid de câmpul electric din regiunea de epuizare puternică în colector.

Purtătorii majoritari în interiorul unui emițător de tip N sunt electroni care devin purtători minoritari atunci când intră într-o bază de tip P. Acești electroni care lovesc baza subțire de tip P au patru posibilități. Câțiva electroni (în figura (a) de mai sus) intră în găuri în bază, ceea ce permite curentului să circule către borna de bază de la borna (+) a bateriei. Acest lucru nu este afișat, dar găurile din bază pot difuza în emițător și se pot combina cu electronii, permițând curentului să curgă prin cablul de bază. Mai multe (b) curg prin bază către borna (+) a bateriei, ca și cum baza ar fi doar un rezistor. Ambele grupuri de electroni (a) și (b) contribuie foarte puțin la curentul de bază. Pentru tranzistoarele de putere mică, curentul de bază este de obicei 1% din curentul emițătorului sau al colectorului. Majoritatea electronilor emițătorului difuzează prin baza subțire (c) în regiunea de epuizare a colectorului de bază. Observați polaritatea regiunii de epuizare din jurul electronului în (d). Un câmp electric puternic mătură rapid electronul în colector. Intensitatea câmpului este proporțională cu tensiunea bateriei colectorului. Astfel, 99% din curentul emițătorului merge către colector. Este controlat de curentul de bază, care este 1% din curentul emițătorului. Aceasta este o amplificare a curentului potențial de 99 de ori, raportul I K / I B, cunoscut și sub numele de beta β.

Acest lucru este uimitor, 99% dintre purtătorii emițătorilor care se propagă prin bază este posibil doar dacă baza este foarte subțire. Ce s-ar întâmpla cu purtătorii emițătorului principal dacă baza ar fi de 100 de ori mai groasă? Ne-am aștepta la o creștere a recombinării, numărul de electroni care cad în găuri ar fi mult mai mare. Poate că 99%, nu 1%, ar fi intrat în găuri, fără să ajungă niciodată la colector. Al doilea punct este că curentul de bază poate conduce 99% din curentul emițătorului numai dacă 99% din curentul emițătorului difuzează în colector. Dacă tot curentul ar curge de la bază, nu ar fi posibil niciun control.

O altă caracteristică necesară pentru a transfera 99% din electroni de la emițător la colector este că tranzistoarele bipolare reale folosesc un emițător mic puternic dopat. Concentrația mare de electroni emițători face ca mai mulți electroni să difuzeze în bază. Concentrația mai mică de dopant în bază înseamnă că mai puține găuri difuzează în emițător, ceea ce ar putea crește curentul de bază. Propagarea purtătorilor de sarcină de la emițător la bază se bucură de un mare avantaj.

Baza subțire și emițătorul puternic dopat ajută la menținerea eficienței emițătorului ridicat, cum ar fi 99%. Aceasta corespunde că 100% din curentul emițătorului este împărțit între bază (1%) și colector (99%). Eficiența emițătorului este cunoscută ca α = I K / I E.

Tranzistoarele bipolare pot avea atât structuri NPN, cât și PNP. Vom compara aceste două structuri în figura de mai jos. Diferența constă în polaritatea joncțiunilor PN bază-emițător, care este indicată de direcția săgeții emițătorului de pe simbol. Indică în aceeași direcție cu săgeata de pe anodul diodei, opus direcției electronilor.

Vedeți simbolul de pe imagine în tranziția P-N. Începutul săgeții și sfârșitul acesteia corespund semiconductorilor de tip P și, respectiv, de tip N. Pentru emițătorii NPN și PNP, săgeata indică de la bază la bază, respectiv. Nu există nicio săgeată pe colector de pe simbol. Cu toate acestea, joncțiunea bază-colector are aceeași polaritate ca și dioda ca joncțiunea bază-emițător. Rețineți că vorbim despre polaritatea diodei, nu despre sursa de alimentare.

Comparați un tranzistor NPN (a) cu un tranzistor PNP (b). Acordați atenție săgeții emițătorului și polarității sursei de alimentare.

Sursele de tensiune pentru tranzistoarele PNP sunt inversate în comparație cu tranzistoarele NPN, așa cum se arată în figura de mai sus. Joncțiunea bază-emițător trebuie să fie polarizată direct în ambele cazuri. Baza tranzistorului PNP este polarizat negativ (b), în comparație cu pozitiv (a) pentru tranzistorul NPN. În ambele cazuri, joncțiunea bază-colector este polarizată în direcția opusă. Sursa de alimentare a colectorului unui tranzistor PNP are o polaritate negativă, în comparație cu polaritatea pozitivă pentru un tranzistor NPN.

Tranzistor de joncțiune bipolară (BJT): (a) secțiune transversală a dispozitivului individual, (b) simbol, (c) secțiune transversală a circuitului integrat.

Rețineți că tranzistorul bipolar (BJT) din figura (a) de mai sus are un emițător puternic dopat, notat N+. Baza are un nivel normal de dopaj P. Baza este mult mai subțire decât se arată în secțiunea transversală, nu la scară. Colectorul este ușor dopat, ceea ce este indicat de N - . Colectorul trebuie dopat atât de ușor încât joncțiunea colector-bază să aibă tensiune înaltă dărâma. Acest lucru are ca rezultat o tensiune de alimentare admisibilă ridicată a colectorului. Tensiunea de defalcare pentru tranzistoarele cu siliciu de putere redusă este de 60-80 volți. Pentru tranzistoarele de înaltă tensiune, poate ajunge la sute de volți. De asemenea, colectorul trebuie să fie puternic dopat pentru a reduce pierderile de rezistență dacă tranzistorul trebuie să suporte curenți mari. Aceste cerințe contradictorii sunt îndeplinite de o aliere mai puternică a colectorului în zona contactului cu metalul. Colectorul de lângă bază este ușor dopat în comparație cu emițătorul. Dopajul intens în emițător are ca rezultat o tensiune scăzută de întrerupere a joncțiunii emițător-bază, care este de aproximativ 7 volți pentru tranzistoarele de putere mică. Emițătorul puternic dopat face ca joncțiunea emițător-bază cu polarizare inversă să fie similară ca performanță cu o diodă Zener.

Baza unui tranzistor de joncțiune bipolară, o placă semiconductoare, este un colector montat (în cazul tranzistoarelor de mare putere) pe o carcasă metalică. Adică, carcasa metalică este conectată electric la colector. Baza tranzistoarelor de putere mică poate fi încapsulată în epoxid. În tranzistoare de mare putere, aluminiu fire de conectare sunt conectate la bază și emițător și conectate la cablurile corpului. Bazele tranzistoarelor de putere redusă pot fi instalate direct pe conductorii de ieșire. Se pot realiza mai multe tranzistoare pe un singur cip, care se va numi circuit integrat. Colectorul poate fi instalat chiar nu pe carcasă, ci pe ieșire. Un circuit integrat poate conține conductori interni care conectează tranzistori și alte componente integrate. Tranzistorul bipolar încorporat prezentat în figura (c) de mai sus este mult mai subțire decât se arată în figura „nu la scară”. Regiunea P+ izolează mai multe tranzistoare într-un singur cip. Un strat de placare cu aluminiu (nefigurat) interconectează mai multe tranzistoare și alte componente. Regiunea emițătorului este puternic dopată cu N+ în comparație cu bază și colector pentru a crește eficiența emițătorului.

Tranzistoarele PNP discrete sunt aproape la fel de înalte ca tranzistoarele NPN. Cu toate acestea, tranzistoarele PNP integrate nu sunt la fel de bune ca NPN-urile într-un cip de circuit integrat similar. Astfel, circuitele integrate folosesc tranzistori NPN la maximum.

Rezumând

• Tranzistoarele bipolare conduc curentul folosind atât electroni, cât și găuri în același dispozitiv.
• Funcționarea unui tranzistor bipolar ca amplificator de curent necesită ca joncțiunea colector-bază să fie polarizată invers și joncțiunea emițător-bază să fie polarizată direct.
• Un tranzistor diferă de o pereche de diode back-to-back prin faptul că baza (stratul central) este foarte subțire. Acest lucru permite purtătorilor de sarcină majoritari de la emițător să difuzeze, ca purtători minoritari, prin bază în regiunea de epuizare a joncțiunii bază-colector, unde sunt preluați de un câmp electric puternic.
• Eficiența emițătorului este îmbunătățită prin dopaje mai grele în comparație cu colectorul. Eficiența emițătorului: α = I C / I E , este 0,99 pentru tranzistoarele de putere mică.
• Câștigul de curent: β=I C /I B , pentru tranzistoarele de putere mică este în intervalul de la 100 la 300.

Dacă luăm în considerare omologii mecanici, atunci funcționarea tranzistoarelor seamănă cu principiul de funcționare a servodirecției hidraulice într-o mașină. Dar, asemănarea este valabilă doar la o primă aproximare, deoarece nu există supape în tranzistoare. În acest articol, vom lua în considerare separat funcționarea unui tranzistor bipolar.

Dispozitiv cu tranzistor bipolar

Baza dispozitivului tranzistor bipolar este un material semiconductor. Primele cristale semiconductoare pentru tranzistoare au fost fabricate din germaniu, astăzi siliciul și arseniura de galiu sunt mai frecvent utilizate. În primul rând, un material semiconductor pur este produs cu un material bine ordonat rețea cristalină. Apoi cristalului i se dă forma necesară și se introduce o impuritate specială în compoziția sa (materialul este aliat), ceea ce îi conferă anumite proprietăți de conductivitate electrică. Dacă conductivitatea se datorează mișcării electronilor în exces, este definită ca tip n donor (electronic). Dacă conductivitatea unui semiconductor se datorează înlocuirii succesive a locurilor libere, așa-numitele găuri, cu electroni, atunci o astfel de conductivitate se numește acceptor (gaura) și se notează prin conductivitate de tip p.

Poza 1.

Cristalul tranzistorului este format din trei părți (straturi) cu alternanță în serie a tipului de conductivitate (n-p-n sau p-n-p). Tranzițiile de la un strat la altul formează potențiale bariere. Se numește tranziția de la bază la emițător emițător(EP), către colecționar - colector(KP). Figura 1 prezintă structura tranzistorului ca simetrică, idealizată. În practică, în timpul producției, dimensiunile regiunilor sunt semnificativ asimetrice, aproximativ așa cum se arată în Figura 2. Zona joncțiunii colectorului depășește semnificativ joncțiunea emițătorului. Stratul de bază este foarte subțire, de ordinul câțiva microni.

Figura 2.

Principiul de funcționare al unui tranzistor bipolar

Orice joncțiune p-n a unui tranzistor funcționează în mod similar. Când o diferență de potențial este aplicată polilor săi, are loc „deplasarea” acesteia. Dacă diferența de potențial aplicată este pozitivă condiționat și joncțiunea p-n se deschide, se spune că joncțiunea este polarizată direct. Atunci când se aplică o diferență de potențial negativă condiționat, tranziția este inversată, la care este blocată. O caracteristică a funcționării tranzistorului este aceea că, cu o polarizare pozitivă a cel puțin o tranziție, zona comună, numită bază, este saturată cu electroni sau cu goluri electronice (în funcție de tipul de conductivitate a materialului de bază), ceea ce provoacă o scăderea semnificativă a barierei potențiale a celei de-a doua tranziții și, ca urmare, a conductanței acesteia sub polarizare inversă.

Moduri de operare

Toate circuitele de comutare a tranzistorului pot fi împărțite în două tipuri: normalși invers.

Figura 3

Circuit normal de comutare a tranzistorului presupune modificarea conductibilității electrice a joncțiunii colectorului prin controlul decalajului joncțiunii emițătorului.

Circuit invers, spre deosebire de normal, vă permite să controlați conductivitatea joncțiunii emițătorului controlând polarizarea colectorului. Circuitul invers este un analog simetric al celui normal, dar din cauza asimetriei structurale a tranzistorului bipolar, este ineficient pentru utilizare, are restricții mai stricte cu privire la parametrii maximi admiși și practic nu este utilizat.

Cu orice schemă de comutare, tranzistorul poate funcționa în trei moduri: Modul de tăiere, modul activși modul de saturație.

Pentru a descrie direcția de lucru curent electricîn acest articol, este luat în mod condiționat ca direcție a electronilor, adică de la polul negativ al sursei de alimentare la cel pozitiv. Să folosim diagrama din Figura 4 pentru aceasta.

Figura 4

Modul de tăiere

Pentru joncțiunea p-n, există o valoare pentru tensiunea de polarizare directă minimă la care electronii sunt capabili să depășească bariera de potențial a acestei joncțiuni. Adică, la o tensiune de polarizare directă până la acest prag, niciun curent nu poate circula prin joncțiune. Pentru tranzistoarele cu siliciu, valoarea unui astfel de prag este de aproximativ 0,6 V. Astfel, într-un circuit de comutare normal, atunci când polarizarea directă a joncțiunii emițătorului nu depășește 0,6 V (pentru tranzistoarele cu siliciu), nici un curent nu trece prin bază, acesta nu este saturat cu electroni și, în consecință, nu există emisie de electroni de bază în regiunea colectorului; nu există curent de colector (zero).

Astfel, pentru regimul cutoff, următoarele identități sunt o condiție necesară:

TU FI<0,6 В

I B \u003d 0

Modul activ

În modul activ, joncțiunea emițătorului este polarizată în direcția înainte până în momentul deblocării (începerea curgerii curentului) cu o tensiune mai mare de 0,6 V (pentru tranzistoarele cu siliciu), iar joncțiunea colectorului este polarizată în direcția opusă . Dacă baza are conductivitate de tip p, există un transfer (injecție) de electroni de la emițător la bază, care sunt distribuiti instantaneu într-un strat subțire al bazei și aproape toți ajung la limita colectorului. Saturația bazei cu electroni duce la o scădere semnificativă a dimensiunii joncțiunii colectorului, prin care electronii, sub acțiunea unui potențial negativ de la emițător și bază, sunt deplasați în regiunea colectorului, curgând în jos prin colector. borna, provocând astfel curentul colectorului. Stratul foarte subțire al bazei limitează curentul maxim care trece printr-o secțiune transversală foarte mică în direcția cablului de bază. Dar această grosime mică a bazei provoacă saturația sa rapidă cu electroni. Zona de joncțiune are o dimensiune semnificativă, ceea ce creează condiții pentru fluxul unui curent emițător-colector semnificativ, care este de zeci și sute de ori mai mare decât curentul de bază. Astfel, prin trecerea unor curenți nesemnificativi prin bază, putem crea condiții pentru trecerea curenților mult mai mari prin colector. Cu cât este mai mare curentul de bază, cu atât este mai mare saturația sa și cu atât este mai mare curentul colectorului. Acest mod vă permite să controlați (reglați) fără probleme conductivitatea joncțiunii colectorului printr-o modificare (reglare) corespunzătoare a curentului de bază. Această proprietate a modului activ al tranzistorului este utilizată în circuitele diferitelor amplificatoare.

În modul activ, curentul emițătorului tranzistorului este suma curenților de bază și de colector:

Eu E \u003d I K + eu B

Curentul colectorului poate fi exprimat astfel:

I K = α eu E

unde α este coeficientul de transfer al curentului emițătorului

Din ecuațiile de mai sus, puteți obține următoarele:

unde β este factorul de amplificare a curentului de bază.

Modul de saturație

Limita creșterii curentului de bază până în momentul în care curentul colectorului rămâne neschimbat determină punctul de maximă saturație a bazei cu electroni. O creștere suplimentară a curentului de bază nu va modifica gradul de saturație a acestuia și nu va afecta în niciun fel curentul colectorului, poate duce la supraîncălzirea materialului în zona de contact de bază și la defecțiunea tranzistorului. În datele de referință pentru tranzistoare, pot fi indicate curentul de saturație și curentul de bază maxim admisibil sau tensiunea de saturație de bază emițător și tensiunea de bază emițător maxim admisibilă. Aceste limite determină modul de saturație al tranzistorului în condiții normale de funcționare.

Modul de tăiere și modul de saturație sunt eficiente atunci când tranzistoarele funcționează ca întrerupătoare electronice pentru comutarea circuitelor de semnal și de putere.

Diferența în principiul funcționării tranzistoarelor cu structuri diferite

Cazul muncii a fost considerat mai sus tranzistor n-p-n structurilor. Tranzistoarele P-n-p funcționează într-un mod similar, dar există diferențe fundamentale de care ar trebui să fii conștient. Un material semiconductor cu conductivitate acceptor de tip p are o capacitate de transmisie de electroni relativ scăzută, deoarece se bazează pe principiul tranziției electronilor de la un loc liber (gaură) la altul. Când toate locurile libere sunt înlocuite cu electroni, mișcarea lor este posibilă doar pe măsură ce apar locuri vacante din direcția mișcării. Cu o lungime semnificativă a secțiunii unui astfel de material, acesta va avea o rezistență electrică semnificativă, ceea ce duce la mari probleme atunci când este folosit ca cel mai masiv colector și emițător de tranzistori bipolari. tip pnp decât atunci când este utilizat într-un strat de bază foarte subțire de tranzistoare NPN. Materialul semiconductor donor de tip n are proprietățile electrice ale metalelor conductoare, ceea ce face mai avantajoasă utilizarea ca emițător și colector, ca în tranzistoarele de tip n-p-n.

Această trăsătură distinctivă a diferitelor structuri ale tranzistoarelor bipolare duce la mari dificultăți în producerea de perechi de componente cu structuri diferite și caracteristici electrice similare între ele. Dacă acordați atenție datelor de referință ale caracteristicilor perechilor de tranzistoare, veți observa că atunci când aceleași caracteristici ale două tranzistoare de diferite tipuri, de exemplu, KT315A și KT361A, sunt atinse, în ciuda puterii lor identice de colector (150 mW) și aproximativ același câștig de curent (20-90), ele diferă în curenții maximi admisi de colector, tensiuni de bază emițător etc.

P.S. Această descriere a principiului de funcționare a tranzistorului a fost interpretată din punctul de vedere al teoriei ruse, deci nu există o descriere a acțiunii câmpurilor electrice asupra sarcinilor pozitive și negative fictive. Fizica rusă face posibilă folosirea unor modele mecanice mai simple, mai ușor de înțeles, care sunt cel mai apropiate de realitate decât abstracțiile sub formă de câmpuri electrice și magnetice, sarcini pozitive și electrice, pe care școala tradițională ni le strecoară cu trădare. Din acest motiv, nu recomand folosirea teoriei declarate fără analiză și reflecție preliminară atunci când se pregătesc pentru livrarea de lucrări de control, lucrări de la termen și alte tipuri de muncă, profesorii dvs. pot pur și simplu să nu accepte disidența, chiar competitivă și destul de consecventă din punctul de vedere al viziunea bunului simț și a logicii. În plus, din partea mea, aceasta este prima încercare de a descrie funcționarea unui dispozitiv semiconductor din punctul de vedere al fizicii ruse, care poate fi rafinat și completat în viitor.