Структура биполярного транзистора: 5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода – плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа – электронами.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода – обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 – 25 мкм < Lб.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n-переходы, и общие токи равны нулю.

Транзистор p-n-p-типа в активном режиме включения показан на рис. 5.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток IЭ, а через коллекторный переход – малый обратный ток коллектора.

Основные носители заряда в эмиттере – дырки – диффундируют из-за разности концентрации в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – дырочную Iэp и электронную Iэn: Iэ= Iэp+ Iэn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток Iэp преобладает над электронным током из базы Iэn, т.е. Iэp >> Iэn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов Iб ≈ Iэp.

Биполярный транзистор / Хабр

1.

Основные сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков –  как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р⁺ область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования –  концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 10¹⁷ – 10¹⁸ ат/см³ (этот факт обозначен символом р⁺).   Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет ~ 10¹³ – 10¹⁴ ат/cм³.   В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу.  Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла. 

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

1. низкочастотные­ не более 3 МГц;

2. средней частоты – от 3 МГц до 30МГц;

3. высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;

4. сверхвысокочастотные – более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

• маломощные – не более 0,3 Вт;

• средней мощности – от 0,3 Вт до1,5 Вт;

• большой мощности – более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками.  Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10¹⁷см^-3, а справа 10⁶см^-3. Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

(2. 1)

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера.  Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

(2.2)

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры.   Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

                                         (2.3)

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

                                               (2.4)

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

                                       (2.5)

Согласно первому закону Кирхгофа,

                                         (2.6)

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

                                            (2. 7)

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

                                              (2.8)

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

• Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.

• Режим насыщения– оба перехода открыты.

• Режим отсечки– оба перехода закрыты.

• Инверсный режим– эмиттерный переход закрыт, коллекторный – открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с

общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК).  На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора.  Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U

кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ –  U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами – входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение.  В этом случае

                                              (4.1)

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

                                       (4.2)

                                     (4. 3)

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

                                    (4.4)

 Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

                                       (4. 5)

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

                                    (4.6)

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

                                             (4.7)

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к.  Этот ток называют инверсным.  Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего  I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

 

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ. 

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

                                     (4.8)

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ <U_пор, I_б = – I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

 При U_кэ <U_бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.  

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

                                     (4.9)

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б.  Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

                            (4.10)

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

                                           (4. 11)

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами.  При U_кэ <U_бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы.  Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11). 

Структура и изготовление биполярного транзистора

» Electronics Notes

Основные сведения о структуре типичных биполярных транзисторов с пояснениями, помогающими понять, как они работают.

---

Учебное пособие по транзисторам Включает:
Основы транзисторов Усиление: Hfe, hfe и бета Характеристики транзистора Коды нумерации транзисторов и диодов Выбор транзисторов на замену

---

Производство биполярных транзисторов и их структура прошли долгий путь с тех пор, как были сделаны первые транзисторы.

Современные транзисторы изготавливаются с использованием сложных процессов, а структура транзистора позволяет им иметь очень высокий уровень производительности.

Оригинальный транзистор Бардина, Браттейна и Шокли состоял из двух очень близко расположенных контактов на германиевой основе. Структура этого транзистора состояла из двух точечных контактов на германиевой базовой площадке.

Сегодня транзисторы изготавливаются различными способами и имеют множество различных структур. Они могут быть диффузными, эпитаксиально выращенными или могут иметь меза-конструкцию.

Транзистор 2N3553 в металлической банке ТО39

Структура биполярного транзистора: основы

По сути, транзистор состоит из области полупроводника p-типа или n-типа, зажатой между областями противоположно легированного кремния. Такие устройства могут быть как p-n-p, так и n-p-n.

Есть три соединения, а именно эмиттер, база и коллектор. База находится в центре и ограничена эмиттером и коллектором. Из двух внешних двух коллектор часто делают больше, так как именно здесь рассеивается большая часть тепла.

Базовая структура транзистора и символы схемы

База получила свое название от транзисторов с первым точечным контактом, где центральное соединение также сформировало механическую «основу» конструкции. Очень важно, чтобы эта область была как можно более тонкой, если необходимо достичь высоких уровней усиления по току. Часто это может быть только около 1 мкм в поперечнике.

Эмиттер — это место, где «излучаются» носители тока, а коллектор — это место, где они «собираются».

Структура транзистора с точечным контактом

В самых ранних транзисторах использовалась структура точечного контакта. Эту транзисторную структуру было легко изготовить на очень низком технологическом оборудовании, но она была ненадежной.

Как следует из названия, в этой структуре биполярного транзистора используются провода для точечного контакта с полупроводниковым материалом.

Структура транзистора с точечным контактом

Легированная структура перехода

Другой транзисторной структурой, которая широко использовалась на заре транзисторов, был сплавной переход.

Структура транзистора со сплавом

Структура транзистора со сплавом использует кристалл германия в качестве основы для всей структуры, а также в качестве базового соединения. Эмиттерные и коллекторные шарики из сплава затем сплавлялись на противоположных сторонах. За годы их производства было разработано несколько типов улучшенных транзисторов с переходом из сплава.

Транзисторы со сплавом устарели в начале 1960-х годов с появлением планарного транзистора, который можно было легко производить серийно, в то время как транзисторы со сплавом приходилось изготавливать индивидуально.

Диффузионные транзисторы

В отличие от предыдущих транзисторных структур, где контакты добавлялись к полупроводниковому кристаллу извне, диффузионный транзистор позволял создавать различные области транзистора путем диффузии примесей в полупроводниковый кристалл для получения областей с требуемыми характеристиками p-типа, n -тип, p+, n+ и т. д.

Самые ранние диффузионные транзисторы использовали структуру транзистора с диффузной базой. Эти транзисторы по-прежнему имели эмиттеры из сплава и даже иногда имели коллекторы из сплава, как и более ранние транзисторы с переходом из сплава. В подложку диффундировала только основа, хотя иногда подложка образовывала коллектор.

Планарная структура транзистора

Структура планарного транзистора была разработана в Fairchild Semiconductor в 1959 году и стала крупным технологическим прорывом. Это не только упростило производство биполярных транзисторов, но и заложило основу будущей технологии интегральных схем.

Структура планарного транзистора также включает пассивирующий слой на внешних участках кристалла. Это защищает края перехода от загрязнения и позволяет использовать гораздо менее дорогую пластиковую упаковку без риска ухудшения характеристик транзистора в результате попадания загрязнения в кристаллическую решетку, особенно в областях вокруг переходов.

Удивительно, но первые планарные транзисторы имели более низкий уровень производительности по сравнению с их соединениями из сплава, но транзисторы с диффузной планарной структурой можно было производить массово, и в результате они стоили намного дешевле, что делало их очень привлекательным вариантом. Однако первоначальные трудности были преодолены, и планарные транзисторы предлагают очень высокий уровень производительности.

Упрощенная планарная структура транзистора

Стоит отметить, что площадь коллектора имеет больший объем, чем эмиттер. Хотя во многих отношениях две клеммы можно поменять местами, на коллекторе рассеивается наибольшая мощность, и поэтому он имеет больший объем.

Также видно, что в этом транзисторе протекание тока происходит в вертикальной плоскости на схеме.

Существуют и другие различия в уровнях легирования, используемых в структуре транзистора. Легирование эмиттера обычно выше, чем легирование базы, что обеспечивает высокую эффективность инжекции. Также легирование коллектора ниже, чем легирование базы.

Обычный подход к формированию переходов эмиттера и базы заключается в использовании процесса, известного как метод двойной диффузии. При использовании метода двойной диффузии сначала выполняется диффузия в области основания, чтобы обеспечить большую площадь основания. Затем меньшая площадь эмиттера рассеивается с более высоким уровнем легирующей примеси, чтобы обеспечить более мелкий эмиттер с более сильным легированием.

Боковая планарная структура транзистора

В некоторых случаях может быть выгодно иметь боковую структуру транзистора.

Боковая планарная структура транзистора

Из этой диаграммы видно, что ток течет в горизонтальной плоскости, а не в вертикальной. Этот формат имеет преимущества в некоторых приложениях, но требует большего количества процессов распространения и, следовательно, является более сложным и, следовательно, более дорогим. Таким образом, он используется только тогда, когда этого требуют производительность и характеристики.

Легирование транзисторов и профили легирования

Какой бы метод изготовления транзистора ни использовался, базовый слой остается очень тонким. Обычно он составляет менее 1 мкм для высокого коэффициента усиления по току.

Для большинства транзисторов с биполярным переходом ток течет в вертикальной плоскости, хотя при необходимости возможна поперечная структура.

Что касается уровней легирования в структуре транзистора, то легирование эмиттера, как правило, является самым высоким. Это обеспечивает максимальную эффективность впрыска. Далее базовый допинг. Наконец, коллектор получает самый низкий уровень легирования, так что функция нейтральной базы является слабой функцией напряжения базы коллектора.

Типичный профиль легирования структуры транзистора показывает различные области транзистора с их уровнями легирования.

Типичный профиль легирования для стандартного кремниевого транзистора (NPN)

Как видно из структурной схемы транзистора, легирование эмиттера намного выше, чем эфира базы областей коллектора.

Хотя транзисторы могут работать с перевернутыми эмиттером и коллектором, производительность будет ниже. В результате неправильного уровня допинга. Кроме того, коллектор сделан больше и может легче отводить тепло, поскольку это область структуры транзистора, где рассеивается больше всего тепла.

Другие электронные компоненты:
Батарейки конденсаторы Соединители Диоды полевой транзистор Индукторы Типы памяти Фототранзистор Кристаллы кварца Реле Резисторы ВЧ-разъемы Переключатели Технология поверхностного монтажа Тиристор Трансформеры Транзистор Клапаны/трубки
    Вернуться в меню “Компоненты”. . .

Как работает биполярный транзистор?

• Калькуляторы
• Задачи проектирования

Войти

Добро пожаловать! Войдите в свою учетную запись

ваше имя пользователя

ваш пароль

Забыли пароль?

Создать учетную запись

Политика конфиденциальности

Регистрация

Добро пожаловать!Зарегистрируйте аккаунт

ваш адрес электронной почты

ваше имя пользователя

Пароль будет отправлен вам по электронной почте.

Политика конфиденциальности

Восстановление пароля

Восстановить пароль

ваш адрес электронной почты

Поиск

Модифицировано: 8 февраля, 2021

Категория Статьи

СОДЕРЖАНИЕ

Биполярный транзистор -Три (три электрода), Current-Controlled -три-эндоуности (три электрода), Complonled -три-энтеат. возможность усиления сигналов постоянного и переменного тока, т.е. каждый транзистор принадлежит к семейству усилителей . Усилитель — это устройство, которое может управлять большей мощностью при меньшем потреблении.

Существует два типа биполярных транзисторов: транзисторы N-P-N и транзисторы P-N-P . Электроды биполярного транзистора имеют следующие названия: – С – коллектор, В – база, Е – эмиттер. Чаще всего применяются кремниевые Si транзисторы (Threshold Voltage V _T = 0,6 – 0,7 В), реже – германиевые Ge (V _T  = 0,2–0,3 В). Транзисторы используются практически везде: от усилителей, генераторов, систем коммутации питания до компьютеров и более совершенных систем.

---

Биполярный транзистор – Задания для школьников

Если вы учитесь или просто хотите научиться решать задачи на биполярный транзистор, посетите этот раздел нашего веб-сайта , где вы найдете большое разнообразие электронных задач.

---

Биполярный транзистор – Конструкция

Биполярный транзистор состоит из трех полупроводниковых областей с разными типами проводимости: N-P-N или P-N-P. В данном примере два p-n перехода образуют ( диоды ): База-Эмиттер (BE) и База-Коллектор (BC).

Рис. 1. Условное обозначение биполярного транзистора NPN и конструкция его переходов Рис. 2. Обозначение биполярного транзистора PNP и конструкция его переходов. Рис. 3. Модель замены диода NPN-транзистораРис. 4. Модель замены диода PNP-транзистораРис. 5. Распределение токов в NPN транзисторе

Биполярный транзистор – принцип работы

Основная особенность биполярных транзисторов заключается в возможности управления большим током с использованием малого . В зависимости от рабочей точки транзистор может находиться в четырех режимах работы:

• Режим отсечки – переход база-эмиттер вообще не смещен или смещен в обратном направлении. Текущие значения коллектора очень малы,
• Прямой активный режим (чаще всего называется активный режим ) – переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Здесь стоит отметить, что нельзя превышать напряжение перехода (кремниевых или германиевых диодов), что может привести к протеканию большого тока базы и возможному повреждению транзистора. Ток коллектора принимает значение, в β раз превышающее базовое значение тока. Напряжение база-эмиттер инжектирует основные носители от эмиттера через переход к базе (в электронах N-P-N и в дырках P-N-P). Носители инжектируются из эмиттера в область базы (всплывают) (явление диффузии) в область перехода база-коллектор, где их концентрация ниже). Здесь под воздействием электрического поля в области обеднения они притягиваются к коллектору. В результате этих операций между базой и эмиттером должен протекать небольшой ток, что позволяет большему току протекать между электродами коллектора и эмиттера.
• Обратно-активный режим (инвертированный режим) – Переход база-эмиттер смещен в обратном направлении, а переход база-коллектор смещен в прямом направлении. Усиление тока небольшое,
• Режим насыщения – Напряжение коллектор-эмиттер падает до небольшой величины. Базовый ток настолько велик, что коллекторная цепь не может усилить его в β раз больше.

Биполярный транзистор – вольт-амперные характеристики Рис. 6. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (OE)Рис. 7. Семейство вольт-амперных характеристик биполярного транзистора (ОБ)

Эти области транзистора обычно используются в зависимости от необходимости, например:

• Транзистор в качестве усилителя – транзистор, работающий в области прямого действия, может быть использован для построения системы, которая будет усиливать электрический ток.
• В качестве переключателя (клапана) – здесь используется переход между областью насыщения (вкл. ) и отсечкой (выкл.). Используется в цифровых и импульсных схемах.

Биполярный транзистор – Предельные параметры

• В _{EB0max –} максимально допустимое обратное смещение база-эмиттер,
• В _CB0max – максимально допустимое обратное смещение База-Коллектор,
• В _CE0max – максимально допустимое прямое смещение база-эмиттер,
• I _Cmax – максимумы тока коллектора,
• I _Bmax – максимальный базовый ток.

Биполярный транзистор – Операционные системы

Система с общим коллектором

Усиленное напряжение входного сигнала помещается между базой и коллектором транзистора, а сигнал после усиления принимается между коллектором и эмиттером. Усиление напряжения этой схемы близко к единице, поэтому на выход усилителя поступает «повторяющееся» напряжение со входа, отсюда и второе употребительное название этого усилителя – эмиттер.

Рис. 8. Схема переменного тока напряжения системы усилителя с общим эмиттером (ОЭ)

Система с общей базой

Усиленное напряжение входного сигнала помещается между базой и эмиттером транзистора, а сигнал принимается между базой и коллектором после усиления.

Рис. 9. Схема переменного тока напряжения системы усилителя с общей базой (ОБ)

Система с общим коллектором

Усиленное напряжение входного сигнала помещается между базой и эмиттером транзистора, а сигнал после усиления поступает между коллектором и эмиттером. Таким образом, эмиттерный электрод является довольно «обычным» для входных и выходных сигналов — отсюда и название системы.

Рис. 10. Схема общего коллектора ОУ

Биполярный транзистор в качестве ключа

Биполярный транзистор предназначен для работы в качестве ключа. Принцип его работы основан на двух рабочих состояниях транзистора: отсечке и насыщении. Под действием сигнала (напряжения) транзистор активируется и переходит из состояния отсечки, через активное состояние, в насыщение. Когда управляющее напряжение исчезает, транзистор возвращается в состояние отсечки. В отключенном состоянии транзистор имеет очень высокое сопротивление, поэтому он не пропускает сигнал (это можно рассматривать как разрыв в цепи). Однако, когда транзистор насыщен, он имеет низкое сопротивление, и ситуация обратная.

Идеальный транзисторный ключ должен изменять состояние почти мгновенно и иметь очень крутую (вертикальную) переходную характеристику, а время переключения должно быть равно нулю.

Существуют способы значительно ускорить работу процесса переключения транзистора:

• Уменьшить номинал базового резистора транзистора,
• Включите параллельную емкость с базовым резистором транзистора. Устраняет эффект интегрирования и сокращает время включения транзистора,
• Соединить базу и коллектор транзистора через германиевый диод (такой переключатель становится квазинасыщенным), который характеризуется более высоким значением насыщения и меньшим временем переключения.