Bipolær transistor

En bipolær transistor  er en tre-elektrode halvleder enhed , en af ​​de typer af transistorer . To pn-kryds er dannet i halvlederstrukturen , ladningsoverførsel gennem hvilken udføres af bærere af to polariteter - elektroner og huller . Derfor blev enheden kaldt "bipolar" (fra engelsk  bipolar ), i modsætning til felttransistoren (unipolær) .

Det bruges i elektroniske enheder til at forstærke eller generere elektriske svingninger, såvel som et skifteelement (for eksempel i TTL -kredsløb ).

Enhed

En bipolær transistor består af tre halvlederlag med en vekslende type urenhedsledning : emitter (betegnet med "E", eng.  E ), base ("B", eng.  B ) og kollektor ("K", eng.  C ) . Afhængigt af rækkefølgen af ​​vekslen af ​​lag skelnes npn (emitter - n - halvleder , base - p - halvleder , kollektor - n - halvleder) og pnp transistorer. Ledende ikke-ensretterende kontakter er forbundet til hvert af lagene [2] .

Fra synspunktet om typer af ledningsevner er emitter- og kollektorlagene ude af skel, men under fremstillingen adskiller de sig betydeligt i graden af ​​doping for at forbedre enhedens elektriske parametre. Kollektorlaget er let doteret, hvilket øger den tilladte kollektorspænding. Emitterlaget er stærkt doteret: størrelsen af ​​den omvendte gennembrudsspænding af emitterforbindelsen er ikke kritisk, da transistorer normalt fungerer i elektroniske kredsløb med en fremadrettet emitterforbindelse. Derudover giver kraftig doping af emitterlaget bedre minoritetsbærerinjektion i basislaget, hvilket øger strømoverførselskoefficienten i fælles basiskredsløb . Basislaget er let doteret, da det er placeret mellem emitter- og kollektorlaget og skal have en høj elektrisk modstand .

Det samlede areal af base-emitter-krydset er meget mindre end arealet af kollektor-base-krydset, hvilket øger sandsynligheden for at fange minoritetsbærere fra basislaget og forbedrer overførselskoefficienten. Da kollektor-base-forbindelsen normalt er tændt med omvendt forspænding i driftstilstanden, frigives hoveddelen af ​​varmen, der spredes af enheden, i den, og en stigning i dens areal bidrager til bedre afkøling af krystallen. Derfor er en bipolær transistor til almen brug i praksis en asymmetrisk enhed (det vil sige, at en omvendt forbindelse, når emitteren og kollektoren er omvendt, er upraktisk).

For at øge frekvensparametrene (hastighed) gøres tykkelsen af ​​basislaget mindre, da dette blandt andet bestemmer tidspunktet for "flyvning" (diffusion i afdriftsfrie enheder) af minoritetsbærere. Men med et fald i tykkelsen af ​​basen falder den begrænsende kollektorspænding, så tykkelsen af ​​basislaget vælges ud fra et rimeligt kompromis.

Tidlige transistorer brugte metallisk germanium som halvledermateriale . Halvlederenheder baseret på det har en række ulemper , og på nuværende tidspunkt (2015) er bipolære transistorer hovedsageligt lavet af enkeltkrystal silicium og enkeltkrystal galliumarsenid . På grund af den meget høje mobilitet af bærere i galliumarsenid har enheder baseret på galliumarsenid høj hastighed og bruges i ultrahurtige logiske kredsløb og i mikrobølgeforstærkerkredsløb .

Sådan virker det

I den aktive forstærkningstilstand tændes transistoren, så dens emitterforbindelse er fremad - forspændt [3] (åben), og kollektorforbindelsen er omvendt forspændt (lukket).

I en transistor af npn -typen [4] passerer hovedladningsbærerne i emitteren (elektronerne) gennem en åben emitter-basisforbindelse ( injiceres ) ind i basisområdet. Nogle af disse elektroner rekombinerer med de fleste ladningsbærere i basen (hullerne). Men på grund af det faktum, at basen er lavet meget tynd og relativt let doteret, diffunderer de fleste af de elektroner, der injiceres fra emitteren ind i kollektorområdet, da rekombinationstiden er relativt lang [5] . Det stærke elektriske felt i en omvendt forspændt kollektorforbindelse fanger minoritetsbærere fra basen (elektronerne) og overfører dem til kollektorlaget. Kollektorstrømmen er derfor praktisk talt lig med emitterstrømmen, med undtagelse af et lille rekombinationstab i basen, som danner basisstrømmen ( I e \u003d I b + I k ).

Koefficienten α, som forbinder emitterstrømmen og kollektorstrømmen ( I k \u003d α I e ), kaldes emitterstrømoverførselskoefficienten . Den numeriske værdi af koefficienten α = 0,9–0,999. Jo højere koefficient, jo mere effektivt overfører transistoren strøm. Denne koefficient afhænger kun lidt af kollektor-base- og base-emitter-spændingerne. Derfor, over et bredt område af driftsspændinger, er kollektorstrømmen proportional med basisstrømmen, proportionalitetsfaktoren er β = α / (1 - α), fra 10 til 1000. En lille basisstrøm driver således en meget større kollektor nuværende.

Driftsmåder

Emitter-
,
basis-,
kollektorspændinger
( )		 Base-emitter
junction offset for npn type

 Base-kollektor
junction offset for npn type

 Mode
for npn type
direkte baglæns normal
aktiv tilstand
direkte direkte mætningstilstand
baglæns baglæns afskæringstilstand
baglæns direkte omvendt
aktiv tilstand
Emitter-
,
basis-,
kollektorspændinger
( )		 Base-emitter
junction offset for pnp type

 Base-collector
junction offset for pnp type

 Tilstand
til pnp-type
baglæns direkte omvendt
aktiv tilstand
baglæns baglæns afskæringstilstand
direkte direkte mætningstilstand
direkte baglæns normal
aktiv tilstand

Normal aktiv tilstand

Emitter-base-forbindelsen er tændt i fremadgående retning [3] (åben), og kollektor-base-forbindelsen er i modsat retning (lukket):

U EB < 0; U KB > 0 (for en transistor af npn -typen), for en transistor af pnp -typen vil tilstanden se ud som U EB > 0; U KB < 0.

Omvendt aktiv tilstand

Emitterforbindelsen er omvendt forspændt, og kollektorforbindelsen er fremadrettet: U KB < 0; U EB > 0 (for npn type transistor ).

Mætningstilstand

Begge pn- kryds er fremadrettet (begge åbne). Hvis emitter- og kollektor -p-n- forbindelserne er forbundet til eksterne kilder i fremadgående retning, vil transistoren være i mætningstilstand. Det elektriske diffusionsfelt af emitter- og kollektorforbindelserne vil blive delvist dæmpet af det elektriske felt, der skabes af eksterne kilder Ueb og Ucb . Som et resultat vil den potentielle barriere, der begrænser diffusionen af ​​hovedladningsbærerne, falde, og indtrængning (injektion) af huller fra emitteren og kollektoren ind i basen vil begynde, det vil sige, at strømme vil flyde gennem emitteren og kollektoren af transistoren, kaldet mætningsstrømmene af emitter ( I e. us ) og kollektor ( I K. us ).

Kollektor-emitter-mætningsspændingen (U KE. us ) er spændingsfaldet over en åben transistor (den semantiske analog af R SI. åben for felteffekttransistorer). På samme måde er base-emitter-mætningsspændingen (U BE. us ) spændingsfaldet mellem basen og emitteren på en åben transistor.

Afskæringstilstand

I denne tilstand er kollektor- pn - overgangen forspændt i den modsatte retning, og både tilbage- og fremadgående forspænding kan påføres emitterforbindelsen, der ikke overskrider tærskelværdien, ved hvilken emissionen af ​​mindre ladningsbærere ind i basisområdet fra emitteren begynder (for siliciumtransistorer, ca. 0, 6-0,7 V).

Cutoff-tilstanden svarer til betingelsen U EB <0,6—0,7 V, eller I B =0 [6] [7] .

Barrieretilstand

I denne tilstand er DC -basen af ​​transistoren kortsluttet eller gennem en lille modstand med dens kollektor , og en modstand er forbundet til transistorens kollektor- eller emitterkredsløb , som indstiller strømmen gennem transistoren. I den forbindelse er transistoren en slags diode forbundet i serie med en strømindstillingsmodstand. Sådanne kaskadekredsløb er kendetegnet ved et lille antal komponenter, god højfrekvent afkobling, et stort driftstemperaturområde og ufølsomhed over for transistorparametre.

Skift ordninger

Ethvert transistorkoblingskredsløb er kendetegnet ved to hovedindikatorer:

Skifteskema med en fælles base

Indgangsmodstanden (indgangsimpedans ) af et forstærkertrin med en fælles base afhænger ikke meget af emitterstrømmen, med en stigning i strømmen falder den og overstiger ikke enheder - hundredvis af ohm for laveffekttrin, da indgangskredsløbet af scenen er en åben emitterforbindelse af transistoren.

Fordele Fejl

Koblingskredsløb med en fælles emitter

Fordele Fejl

Fælles samlerkredsløb

Fordele Fejl

Et kredsløb med en sådan inklusion omtales ofte som en " emitterfølger ".

Grundlæggende parametre

Transistorparametre er opdelt i egne (primære) og sekundære. Egne parametre karakteriserer transistorens egenskaber, uanset skemaet for dets inklusion. Følgende accepteres som de vigtigste egne parametre:

De sekundære parametre er forskellige for forskellige transistorkoblingskredsløb og er på grund af dens ikke-linearitet kun gyldige for lave frekvenser og små signalamplituder. For sekundære parametre er der foreslået adskillige parametersystemer og deres tilsvarende ækvivalente kredsløb. De vigtigste er blandede (hybride) parametre, angivet med bogstavet " h ".

Indgangsmodstand  - Transistorens modstand mod AC-indgang, når udgangen er kortsluttet. Ændringen i indgangsstrømmen er resultatet af ændringen i indgangsspændingen uden virkningen af ​​feedback fra udgangsspændingen.

h 11 \ u003d U m1 / I m1 , med U m2 \u003d 0.

Spændingsfeedbackskoefficienten viser, hvor stor en andel af udgangs-AC-spændingen, der transmitteres til transistorens input på grund af feedback i den. Der er ingen vekselstrøm i transistorens indgangskredsløb, og ændringen i indgangsspændingen sker kun som følge af en ændring i udgangsspændingen.

h 12 \ u003d U m1 / U m2 , med I m1 \u003d 0.

Strømoverførselskoefficienten (strømforstærkning) angiver forstærkningen af ​​AC-strømmen ved nul belastningsmodstand. Udgangsstrømmen afhænger kun af indgangsstrømmen uden indflydelse af udgangsspændingen.

h 21 \ u003d I m2 / I m1 , med U m2 \u003d 0.

Output Conductance  - Intern ledning for AC mellem udgangsterminalerne. Udgangsstrømmen ændres under indflydelse af udgangsspændingen.

h 22 \ u003d I m2 / U m2 , med I m1 \u003d 0.

Forholdet mellem vekselstrømme og transistorspændinger er udtrykt ved ligningerne:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ; I m2 \ u003d h 21 I m1 + h 22 U m2 .

Afhængigt af transistorens skiftekredsløb tilføjes bogstaver til de digitale indekser for h-parametrene: "e" - for OE-kredsløbet, "b" - for OB-kredsløbet, "k" - for OK-kredsløbet.

For OE-skemaet: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . For eksempel for dette skema:

h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.

For OB-ordningen: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .

Transistorens iboende parametre er forbundet med h - parametre, for eksempel for OE-kredsløbet:

;

;

;

.

Med stigende frekvens begynder kapacitansen af ​​kollektorforbindelsen C til at have en mærkbar effekt på transistorens drift . Dens reaktans falder, shunter belastningen og reducerer derfor forstærkningerne α og β. Emitterforbindelsesmodstanden C e falder også, men den shuntes af en lav overgangsmodstand r e og kan i de fleste tilfælde ignoreres. Med stigende frekvens opstår der desuden et yderligere fald i koefficienten β som et resultat af forsinkelsen af ​​kollektorstrømfasen fra emitterstrømfasen, hvilket er forårsaget af inertien i processen med at flytte bærere gennem basen fra emitteren forbindelse til kollektorforbindelsen og inertien af ​​ladningsakkumulerings- og resorptionsprocesserne i basen. De frekvenser, hvor koefficienterne α og β falder med 3 dB, kaldes grænsefrekvenserne for strømoverførselskoefficienten for henholdsvis OB- og OE-kredsløbene.

I den pulserede tilstand ændres kollektorstrømmen med en forsinkelse med forsinkelsestiden τc i forhold til indgangsstrømimpulsen, hvilket er forårsaget af den endelige transittid for bærebølgerne gennem basen. Med akkumulering af bærere i basen stiger kollektorstrømmen under varigheden af ​​fronten τ f . Transistorens tændingstid kaldes τ på \ u003d τ c + τ f .

Strømme i en transistor

Strømme i en bipolær transistor har to hovedkomponenter.

Bipolær mikrobølgetransistor

Bipolære mikrobølgetransistorer (BT microwave) bruges til at forstærke oscillationer med en frekvens over 0,3 GHz [8] . Den øvre frekvensgrænse for BT-mikrobølger med en udgangseffekt på mere end 1 W er omkring 10 GHz. Størstedelen af ​​højeffekt mikrobølge-BT'er er af npn-typen i struktur [9] . Ifølge metoden til dannelse af overgange er mikrobølge-BT'er epitaksial-plane . Alle mikrobølge-BT'er, undtagen de mest laveffekt, har en multi-emitter struktur (kam, mesh) [10] . I henhold til styrken af ​​BT er mikrobølgeovnen opdelt i lav-effekt (dissiperet effekt op til 0,3 W), medium effekt (fra 0,3 til 1,5 W) og kraftig (over 1,5 W) [11] . Et stort antal højt specialiserede typer BT-mikrobølger [11] fremstilles .

Transistorteknologi

Anvendelser af transistorer

Se også

Noter

  1. ↑ GOST 2.730-73 Samlet system til designdokumentation. Betingede grafiske betegnelser i skemaer. Halvlederenheder. . Hentet 4. november 2020. Arkiveret fra originalen 22. august 2018.
  2. ↑ Ikke-ensretterende eller ohmsk kontakt  - kontakten mellem to forskellige materialer, hvis strøm-spændingskarakteristik er symmetrisk ved polaritetsændring og er næsten lineær.
  3. ↑ 1 2 Forward bias af pn-forbindelsen betyder, at p-type-området har et positivt potentiale i forhold til n-type-området.
  4. ↑ For pnp - tilfældet er alle argumenter ens med udskiftning af ordet "elektroner" med "huller" og omvendt, såvel som med udskiftning af alle spændinger med det modsatte fortegn.
  5. ↑ Lavrentiev B. F. Elektroniske midlers kredsløb . - M . : Publishing Center "Academy", 2010. - S.  53 -68. — 336 s. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
  6. ↑ Forelæsning nr. 7 - Bipolær transistor som en aktiv firepolet, h-parametre . Hentet 25. marts 2016. Arkiveret fra originalen 7. april 2016.
  7. ↑ Elektronikkens fysiske grundlag: metode. vejledning til laboratoriearbejde / komp. V. K. Usoltsev. - Vladivostok: Publishing House of the Far Eastern State Technical University, 2007. - 50 s.: ill.
  8. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 284.
  9. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 285.
  10. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 286.
  11. ↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , s. 292.

Links

Litteratur