ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА. Принцип работы биполярного транзистора со структурой pnp

Принцип работы биполярного транзистора

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода. Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода. В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.  

 

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси.

Базу делают как можно более тонкой. Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

 

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

 

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом  к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк. 

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его.  Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы. 

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции. 

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки  поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы. 

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1. 

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора. 

Обратный ток коллектора возникает в результате  обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током.

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока. 

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

 

Основное соотношение для токов транзистора 

Ток коллектора можно выразить как 

Из вышесказанного можно сделать вывод, что изменяя ток в цепи база – эмиттер, мы можем управлять выходным током коллектора. Причем незначительное изменение тока базы, вызывает значительное изменение тока коллектора.

 

Просмотров:

electroandi.ru

3 Биполярные транзисторы

3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.

3.1.1 Общие сведения

Биполярным транзистором(БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующимиp-nпереходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Дваp-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа

n-p-n(или со структуройn-p-n) и типаp-n-p(или со структуройp-n-p), условные изображения которых по­казаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1 Структуры БТ.

Структура реального транзистора типа n-p-nизображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого переходаn1+-pменьше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).

Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-n.

Сильнолегированная об­ласть обозначена верхним индексом “+” (n+). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1+) называетсяэмиттером, а областьn2-коллектором.Соответст­венно область (p) называется базовой (или базой). Правая областьn+ служит для снижения сопротивления коллектора. Конта­кты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой об­ласти, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллек­торного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсут­ствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузи­ей, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовы­ми, а с неоднородной базой -дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на ус­ловных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напря­жения переходов, определяющих четыре режима работы транзисто­ра. Они получили названия: нормальный активный режим, инверс­ный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3 Схемы включения БТ.

В нормальном активном режиме(НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном переходе - обратное (напряжение коллектор - ба­за UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рисунке 3.4 и направления токов дляp-n-pтранзистора. В случаеn-p-nтранзистора полярности напряжения и направления токов из­меняются на противоположные.

Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет на­значение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собира­тельная” способность этого перехода и обусловила название “кол­лектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный -обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания UЭБиUКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (UЭБ= -UБЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов UКБ= UКЭ+ UЭБ. Так как UЭБ= -UБЭ, тoUКБ= UКЭ- UБЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным - в другом случае. В схеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: UКБ= -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ= UЭК+ UКБ= UЭК- UБК, при этом правило знаков прежнее.

studfiles.net

Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа п-р-п (или со структурой n-p-n) и типа р-п-р (или со структурой р-n-р), условные изображения которых по­казаны на рис. 5.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рис. 5 2 В этой структуре существуют два перехода с неодинако­вой площадью: площадь перехода n1-р меньше, чем у перехода n2-р. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1) называется эмиттером, а область n2 – коллектором. Соответст­венно переход n1-р называют эмиттерным, а n2-p коллектор­ным. Средняя область (p) называется базовой (или базой). Контакты с областями БТ обозначены на рис. 5.2,а буквами: Э – эмит­тер; Б –база; К– коллектор.

Рабочей (активной) частью БТ является область объема стру­ктуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (но заштрихо­вана на рис. 5.2,а). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными («паразитными»), обусловленными конструктивно-технологическими причинами. На рис. 5.2,б показана идеализированная структура БТ без пассивных областей, т.е. только активная часть транзистора, изображенная для удобства описания горизонтально. Сильнолегированная эмиттерная область обозначена верхним индексом «+» (n+), а нижние индексы 1 и 2 опущены.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис. 5.3 пока­заны эти схемы включения для р-n-р-транзистора. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 5.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер-база UЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-база UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рис. 5.5 и направления токов для p-n-p-транзистора. В случае n-p-n-транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собира­тельная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор». Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный – обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР) В этом случае транзистор «работает» в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые токи.

Наглядно связь режимов БТ с включением переходов показа­на на рис. 5.4. Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов. В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания UЭБ и UКБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (UЭБ = – UБЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов. Так как UЭБ = – UБЭ, то UКБ = UКБ – UБЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным – в другом случае. Всхеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: UКБ = – UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = = UЭК – UБК, при этом правило знаков прежнее.

 

Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рис. 5.5), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p-транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение Uэб. Поэтому прямой ток перехода

IЭ = IЭp + IЭn +IЭрек (5.1)

где IЭp, IЭn – инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а IЭрек – составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера (см. §3.5.1).

Относительный вклад этой составляющей в ток перехода IЭ в (5.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие IЭp и IЭn. определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n-перехода. Если вклад IЭрек незначителен, то вместо (5.1) можно записать

IЭ = IЭp + IЭn(5.2)

Полезным в сумме токов выражения (5.1) является только ток IЭp, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. «Вредные» составляющие тока эмиттера IЭn и IЭрек протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты IЭn, IЭрекдолж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы змиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера

(5.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током IЭрек

(5.4)

Коэффициент инжекции γЭтем выше (ближе к единице), чем меньше отношение IЭn / IЭp. Величина IЭn / IЭp << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p-транзистора NaЭ на несколько порядков выше концентрации доноров NдБ в базе (NaЭ >> NдБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток IЭp? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентра­ции дырок – неосновных носителей базы. Этот градиент обусловли­вает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться ре­комбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок Iб рек. Так что ток подхо­дящих к коллекторному переходу дырок

(5.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэф­фициентом переноса æБ:

æБ (5.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, ин­жектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному пере­ходу. Значение æБ тем ближе к единице, чем меньшее число инжек­тированных дырок рекомбинирует с электронами – основными носи­телями базовой области. Ток IБрек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покры­вается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней це­пи, то ток IБрек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей IЭn.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить æБ, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации до­норов NдБ. Это совпадает с требованием NaЭ >> NдБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы Wб и диф­фузионной длины дырок в базовой области LpБ. Доказано, что име­ется приближенное соотношение

æБ (5.7)

Например, при Wб/LpБ= 0.1 , æБ = 0.995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет ла­винного размножения проходящих через него носителей (см. § 3.5.3), то ток за коллекторным переходом с учетом (5.5)

IKp=I*Kp=IЭр – IБрек (5.8)

С учетом (5.6) и (5.3) получим

IKp= æБ IЭр= γЭ æБ IЭ =α IЭ(5.9)

где

α = γЭ æБ = IKp/IЭ(5.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к пол­ному току эмиттера называют статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую IКБ0. которая протекает в цепи коллектор-база при IЭ = 0 (холостой ход, «обрыв» цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехо­да, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллек­тора, как в обычном р-n-переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (5.8) и (5.10)

IK = IKp + IКБ0 = α IЭ + IКБ0 (5.11)

Из (5.11) получим обычно используемое выражение для стати­ческого коэффициента передачи тока:

α =(IK – IКБ0)/IЭ (5.12)

числитель которого (IК – IКБ0) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, IKp. Обычно ра­бочие токи коллектора IK значительно больше IКБ0. поэтому

α ≈ IK/IЭ(5.13)

С помощью рис. 5.5 можно представить ток базы через компоненты:

IБ = IЭ n + IЭ рек + IБ рек– IКБ0 (5.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

IЭ = IK + IБ (5.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, IK и IБ принципиально меньше тока IЭ; при этом наименьшим является ток базы

IБ = IЭ– IK (5.16)

Используя (5.16) и (5.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

IБ = (1–α)IЭ–IКБ0 (5.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (IЭ = 0, холостой ход), то IБ = – IКБ0. т.е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллектор­ного перехода. По значению I′Э = IКБ0 /(1–α) ток IБ= 0, а при дальнейшем увеличении IЭ (IЭ > I′Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (5.11) можно установить связь IK с IБ. Используя (5.11) и (5.15), получаем

(5.18)

где

(5.19)

– статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение α обычно близко к единице, то β может быть очень большим (β >> 1). Например, при α = 0.99, β = 99. Из (5.18) можно получить соотношение

β = (IK – IКБ0) / (IБ + IКБ0) (5.20)

Очевидно, что коэффициент β есть отношение управляемой (изме­няемой) части коллекторного тока (IK – IКБ0) к управляемой части ба­зового тока (IБ + IКБ0). Действительно, используя (5.14), получаем

IБ + IКБ0 = IЭ n + IЭ р + IБ рек

Все составляющие последнего выражения зависят от IЭ и обращаются в нуль при IЭ =0. Введя обозначение

IКЭ0 = IКБ0/(1– α)=( β+1) IКБ0 (5.21)

можно вместо (5.18) записать

(5.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения IКЭ0: это зна­чение тока коллектора при нулевом токе базы (IБ = 0) или при «обры­ве» базы. При IБ = 0 IK = IЭ, поэтому ток IКЭ0 проходит через все обла­сти транзистора и является «сквозным» током, что и отражается ин­дексами «К» и «Э» (индекс «0» указывает на условие IБ = 0).

 

Эффект Эрли

В реальном БТ изменение напряжений на переходах UЭБ и UКБ вызывает изменение толщины обедненных слоев перехода и сме­щение границ базовой области, т.е. изменение ширины базовой области. Это явление называют эффектом Эрли. Особеннозаметноизменение ширины базы при подаче обратных напряжений на пере­ходы. В нормальном активном режиме, когда на эмиттерном перехо­де прямое напряжение, а на коллекторном обратное и сравнительно большое по величине, толщина коллекторного перехода значитель­но больше, чем эмиттерного, и влиянием смещения границы эмиттерного перехода можно пренебречь. Поэтому увеличение (по моду­лю) обратного напряжения UКБ будет приводить к расширению коллекторного перехода и сужению базовой области.

К каким же последствиям может привести эффект Эрли? Для оп­ределенности рассмотрим увеличение обратного напряжения UКБ, приводящее к уменьшению ширины базовой области WБ.

1. Уменьшение WБ вызовет рост градиента концентрации неос­новных носителей в базе и, следовательно, рост тока эмиттера. На рис. 5.7 увеличение модуля |UКБ| от |UКБ1| до |UКБ1| при постоянном (заданном) напряжении UЭБсоответствует переходу от распределе­ния 1 к распределению 2. Так как θЭ2 > θЭ1 (увеличение градиента), то IЭ2 > IЭ1.

2. В ряде случаев при изменении UКБ требуется сохранить ток эмиттера. Чтобы вернуть IЭ от значения IЭ2 к значению IЭ1, необходимо уменьшить напряжение на эмиттерном переходе до зна­чения, при котором градиент вернется к исходному значению (θЭ3 = θЭ1), а распределение изобразится прямой 3 (A'C), параллель­ной прямой АБ.

3. Уменьшение WБ приведет также к росту коэффициента пере­носа æБ в базе. В случае поддержания постоянства тока эмиттера это будет сопровождаться уменьшением тока базы IБ. Однако мож­но доказать, что IБ также уменьшится, но в меньшей мере, если IЭ не возвратится к исходному значению.

4. Увеличение коэффициента переноса при уменьшении WБ оз­начает некоторый рост статических коэффициентов передачи α и β.

5. Рост α и IЭ при уменьшении WБ приведет к увеличению колле­кторного тока (5.11): IК = α IЭ + IКБО. Так как α ≈ 1 и его рост относи­тельно мал, даже если он достигнет предельного значения (α = 1), то основное влияние окажет рост IЭ.

6. В ряде случаев требуется при уменьшении ширины базы из-за эффекта Эрли сохранять неизменным ток базы. Для компенсации произошедшего уменьшения IБнеобходимо дополнительно увели­чить IЭ (т.е. общий поток инжектированных в базу носителей) в соот­ветствии с формулой (5.17):

IБ = (1–α)IЭ–IКБ0

Похожие статьи:

poznayka.org

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Область транзистора, расположенную между p-n переходами, называют базой. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из областей изготавливают так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция носителей в базу, а другую – так, чтобы соответствующий p-n переход наилучшим образом осуществлял экстракцию носителей из базы.

Биполярные транзисторы являются основными активными элементами биполярных ИМС. Транзисторы n-p-n типа используются гораздо чаще, чем p-n-p, так как у n-p-n структуры проще обеспечить необходимые характеристики.

Планарно-эпитаксиальный транзистор со скрытым слоем и изоляциейp-n-перехода является наиболее широко распространённой разновидностью биполярного транзистора ИМС. Его физич. структура дана на рис.1,а одномерное распределение легирующих примесей на рис. 2.

Рис. 1 Физическая структура n-p-n интегрального транзистора

со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

Взаимодействие междуp-n-переходами будет существовать, если толщина области между переходами (толщина базы) будет много меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. В этом случае носители заряда, инжектированные через один из p-n-переходов при его смещении в прямом направлении, могут дойти до другого перехода, находящегося под обратным смещением, и изменить его ток. Таким образом, взаимодействие выпрямляющих электрических переходов биполярного транзистора проявляется в том, что ток одного из переходов может управлять током другого перехода.

Рис. 2 Распределение примесей в активной области транзистора.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. режим отсечки – оба электронно-дырочных перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

2. режим насыщения – оба электронно-дырочных перехода открыты;

3. активный режим – один из электронно-дырочных переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и в режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы (усиление, генерирование, переключение, и т.п.).

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может существовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга. Чтобы рассмотреть работу транзистора на постоянном токе, необходимо изучить стационарные потоки носителей в нем. Это дает возможность получить статические характеристики и параметры БП – соотношения между его постоянными токами и напряжениями.

Существенно снизить последовательное сопротивление коллектора удается, перейдя к конструкции транзистора типа n-p-n со скрытым слоем. Сопротивление rк пос. такого транзистора становится пренебрежимо малым, благодаря чему эти транзисторы используются в составе биполярных ИС.

Ниже представлен еще один вариант выполнения БТ, который также часто применяется в ИМС:

Рис.3 Поперечное сечение типичного n-p-n -транзистора, входящего в состав ИС.

Теоретически профили распределения примесей в активной области данного прибора описываются следующим графиком:

Рис.4 Профили распределения примесей под эмиттерным переходом.

Глубина проникновения примеси вглубь полупроводника определяется температурой, при которой происходит диффузия примесей, так как коэффициент диффузии сильно зависит от температуры. Равномерность распределения примеси по глубине слоя зависит от длительности действия факторов диффузии. Все эти факторы определяются технологией производства биполярного транзистора. Следует отметить, что тяжело добиться концентрации примесей выше

studfiles.net

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

П л а н л е к ц и и

6.1. Биполярные транзисторы.

6.2. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения.

6.1. Биполярныетранзисторы.

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p–n-перехода,называетсябиполярным транзистором.

6.2. Структураипринципдействиябиполярноготранзистора. Схемывключения(ОЭ, ОБ, ОК). СтатическиеВАХи параметрыдляосновныхсхемвключения.

Биполярный транзистор был изобретен американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1948 г. Они вместе с американским физиком Уильямом Шокли в 1956 г. были награждены Нобелевской премией за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.

Конструкция первого биполярного транзистора (БТ) приведена на рис. 6.1. В пластинку монокристаллического германияn-типа1 с силой вдавливался пластмассовый треугольник 2, обернутый золотой фольгой 3. На вершине треугольника фольга разрезалась бритвой. В месте соприкосновения фольги с поверхностью пластины образуются областиp- типа: эмиттер 4 и коллектор 6. Между ними располагается база 5. Нарис. 6.1, б приведено изображение первого промышленного биполярного транзистора, где 1 – контакт эмиттера; 2 – контакт коллектора; 3 – корпус; 4 – изолирующая прокладка; 5 – контактная проволочка; 6 – кристалл германия; 7 – контакт к базе. Эмиттерный и коллекторный переходы изготавливались вплавлением в германиевый кристалл тонких проволочек. Диаметр транзистора составлял 1 см, высота 4 см.

Устройство, обозначение и включение биполярных транзисторов n–р–п- иp–n–р-типав активном режиме (режим усиления) показано нарис. 6.2.

Биполярным транзистор называется потому, что в нем используются носители заряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от английского transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низкоомную

 Электроника. Конспект лекций

-94-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

входную цепь эмиттера с высокоомной выходной цепью коллектора, третий электрод – база – является управляющим.

Основными материалами для изготовления биполярных транзисторов служат кремний, германий и арсенид галлия. По технологии изготовления они делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

		1	2
2	3	3
4	6	4
5	1	5
		6
n – Ge
		7
а			б

Рис. 6.1. Конструкция первого биполярного транзистора (а) и первый промышленный образец (б)

э				к		n–p–n
n		p	n		э	к
Еэ		б	Ек
–	+	–		+
э				к		p–n–p
					э	к
p		n	p
Еэ		б	Ек
+	–	+		–

Рис. 6.2. Устройство, условное обозначение и включение биполярных транзисторов в активном режиме

 Электроника. Конспект лекций

-95-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей. В соответствии с этим их можно разделить на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (3–30МГц), высокочастотные(30–300МГц), сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По мощности их можно разделить на маломощные (не более 0,3 Вт), средней мощности(0,3–1,5Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

Взависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой действия входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения БТ: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК), называемая также эмиттерным повторителем.

Принцип работы, характеристики и параметры биполярных транзисторов удобно рассматривать на примере широко используемой на практике схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 6.3). Эта схема дает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. На схеме

показаны включенные в цепь базы источник питания Еб с резисторомRб для задания режима работы транзистора по постоянному току и источник питанияЕк цепи коллектора с нагрузочным резисторомRк.

Взависимости от того,

какие напряжения				действуют
на	переходах,		различают		3			Iк
режима работы транзистора:
	– активный режим, или						Rб	Rк
режим		усиления,		когда			Iб	Uкэ
эмиттерный переход смещен в							+ Uбэ	+
прямом		направлении,			а	Еб			Ек
коллекторный в обратном;							–	Iэ
	–	режим	насыщения,					–
когда оба перехода смещены в
прямом направлении;
	– режим отсечки, когда
оба	перехода		смещены		в	Рис. 6.3. Включение биполярного транзистора
обратном направлении.
							n–р–п-типапо схеме с общим эмиттером
	Принцип			работы
биполярного			транзистора

заключается в том, что незначительный по величине ток базы Iб,
возникающий при подаче прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер – база,
вызывает значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектораIк. Это
обусловлено	сильной инжекцией электронов из эмиттера, которые

втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода. Ток коллектора при этом определяется выражением

 Электроника. Конспект лекций

-96-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

где βст – статический коэффициент передачи тока базы, значительно превышающий по величине единицу.

Ток коллектора Iк связан с напряжением на переходе база – эмиттер уравнением Эберса – Молла:

Iê = Iê0 (exp(Uáý /ϕT )−1),

(6.2)

где Iк0 – обратный ток коллекторного перехода, φТ – температурный потенциал, составляющий для кремния при температуреТ = 300 К примерно 26 мВ. Токи эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношением

Iэ = Iк + Iб.

	Iб, мкА	Iк, мА	Режим
			насыщения
60	Uкэ= 0				80 мкА
	Uкэ> 0
		10			60 мкА
			Активный
4					40 мкА
			режим
2		5			20 мкА
			Режим отсечки		Iб =0
0	500 Uбэ, мВ		0 Uкэ.нас10	20	Ек 30Uкэ, В
	а			б

Рис. 6.4. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистораn–p–n-типав схеме с общим эмиттером

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных ивыходных статическихвольт-амперныххарактеристик (ВАХ) (рис. 6.4).

Входные характеристики Iб = f(Uбэ)|Uкэ (рис. 6.4, а) снимаются при постоянных выходных напряженияхколлектор-эмиттерUкэ = const. ПриUкэ = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. ПриUкэ > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряженияUбэ.пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

Семейство выходных ВАХ Iк = f(Uкэ)|Iб (рис. 6.4, б) снимается при различных токах базыIб = const.

 Электроника. Конспект лекций

-97-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

На вольт-амперныххарактеристиках выделены области, соответствующие работе транзистора в активном режиме, в режимах насыщения и отсечки.

Биполярные транзисторы характеризуются большим числом различных параметров (статических, дифференциальных, физических) и соответствующих им линейных и нелинейных эквивалентных схем.

Одним из широко используемых на практике параметров БТ является определенный выше статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером βст.

При представлении БТ как линейного активного четырехполюсника используются несколько систем характеристических параметров, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения измерения параметров и практического их использования в инженерных расчетах. Как правило, в справочных данных транзисторов приводятся значения так называемых смешанных или гибридных h-параметров–h21,h22,h31,h32.

Параметр h21 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения входного напряжениябаза-эмиттерк вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллекторэмиттер:

h21 = (Uбэ/ΔIб)|Uкэ = const.

(6.3)

Он имеет смысл и размерность дифференциального входного сопротивления транзистора в режиме малого сигнала.

Параметр h31 в схеме с общим эмиттером определяется как приращение тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряженияколлектор-эмиттер:

h31 = (Iк/ΔIб)|Uкэ = const.

(6.4)

Он называется дифференциальным коэффициентом усиления транзистора по току или коэффициентом передачи по току. Значения дифференциальногоh31 и статического βст коэффициентов усиления по току достаточно близки.

Параметр h22 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения напряжениябаза-эмиттерк вызвавшему его приращению напряженияколлектор-эмиттерпри фиксированном значении тока базы:

h22 = (Uбэ/Uкэ)|Iб = const.	(6.5)
Он характеризует влияние выходной цепи транзистора на	входную

цепь вследствие имеющейся внутренней обратной связи между ними и называется коэффициентом обратной связи по напряжению.

Параметр h32 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение
приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению напряжения
коллектор-эмиттерпри фиксированном значении тока базы:
 Электроника. Конспект лекций	-98-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

h32 = (ΔIк/Uкэ)|Iб = const.

(6.6)

Он имеет смысл и размерность дифференциальной выходной проводимости, обратной выходному сопротивлению транзистора в режиме малого сигнала.

Указанные параметры биполярных транзисторов могут быть легко определены на основе их ВАХ.

Коэффициент усиления по напряжению, согласно определению, равен

отношению выходного и входного напряжений:
kU = (ΔUкэ/Uбэ).	(6.7)

Напряжение база-эмиттерне превышает десятых долей вольта, а напряжениеколлектор-эмиттерможет достигать величины единиц или десятков вольт. ПоэтомуkU может принимать значение от десятков до сотен.

В соответствии со схемой рис. 6.4 могут быть построены и измерены динамические входные и выходные характеристики каскадаIк =f(Uкэ)|Ек = = const,Iб =f(Uбэ)|Ек = const. Выходная динамическая характеристика описывается уравнениемIк = (Ек –Uкэ)/Rк и называется такженагрузочной прямой или нагрузочной характеристикой (рис. 6.4, б). Динамические характеристики используются для выбора режима работы транзистора по постоянному току и графического определения значений его токов и напряжений при приложении входного переменного напряжения или тока.

Перейдем к рассмотрению характеристик и параметров транзистора включенного по схеме с общей базой (рис. 6.5). Используя соотношения между токами и напряжениями БТ в схемах включения с общим эмиттером и

собщей базой: Iэ = Iк +Iб,Uкб = Uкэ –Uбэ, можно по ВАХ транзистора в схеме

собщим эмиттером построить его ВАХ в схеме включения с общей базой. Входные характеристики устанавливают связь между током эмиттера и

напряжением эмиттер-базапри фиксированных значениях напряженияколлектор-базаIэ = f(Uэб)|Uкб = const. ПриUкб = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. ПриUкб > 0 характеристика сдвигается влево, так как протекает небольшой начальный ток эмиттераIэн. Характеристики для различныхUкб расположены близко друг к другу, так как основное падение напряженияUкб сосредоточено на коллекторном переходе.

Семейство выходных ВАХ, показывающее зависимость выходного тока коллектора от напряжения коллектор-база,снимается при различных токах эмиттераIк = f(Uкб)|Iэ = const (рис. 6.6, б).

 Электроника. Конспект лекций

-99-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

		Uкб
Iэ	Uэб		Iк
	Rэ	Iб	Rк
	–	+	–
	Еб		Ек

Рис. 6.5. Включение биполярного транзистора n–р–п-типапо схеме с общей базой

		Iэ, мА			Iк, мА
5		Uкб	= 10				5мА
		Uкб=0		4
4							4мА
3							3мА
2				2			2мА
1							Iэ=0
					Iк0		1мА
0		0,2	0,4 Uэб, В	-0,80	10	20 Uкб, В
			а		б

Рис. 6.6. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистораn–p–n-типав схеме с общей базой

Соответствующие этой схеме включения h-параметрытранзистора определяются следующим образом:

h21(об) = (Uэб/ΔIэ)|Uкб = const;h22(об) = (Uэб/ΔUкб)|Iэ = const;h31(об) = (Iк/ΔIэ)|Uкб = const;h32(об) = (ΔIк/Uкб)|Iэ = const.

В табл. 6.1. приведены значения h-параметровдля схем включения ОБ

и ОЭ.

 Электроника. Конспект лекций

-100-

может достигать десятков – сотен килоом.

Rвх = Uвх/Iб = (Uбэ+Uвых) / Iб. (6.8)

Отношение Uбэ/Iб есть входное сопротивление схемы с общим эмиттером, которое может достигать значения единиц килоом. А так как выходное напряжение в десятки раз больше напряжения база-эмиттер, то и входное сопротивление в десятки раз превышает сопротивление схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОК почти такой же, как в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно, для данной схемы можно записать

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

		Таблица 6.1
	Значения h-параметровдля схем включения ОБ и ОЭ
Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ
h21	Сотни ом – единицы килоом	Единицы – десятки ом
h22	10–3–10–4	10–3–10–4
h31	Десятки – сотни	0,95–0,98
1/h32	Единицы – десятки килоом	Сотни килом – единицы мегаом

Из таблицы следует, что у обоих схем включения есть существенный недостаток – малое входное сопротивление. Именно для преодоления этого недостатка, применяется схема включения с общим коллектором (рис. 6.6).

Особенностью схемы ОК

является то, что сопротивление

Iк

нагрузки

включено

в

цепь

Iб

эмиттера

и

падение

напряжения, возникающее

на

сопротивлении

нагрузки,

+

Uбэ

+ Ек

полностью передается на вход,

Еб

Iэ

Rэ

т. е.

существует

сильная

–

Uвы

отрицательная

обратная

связь.

Отсюда

вытекает

второе

название

данной

схемы

–

эмиттерный

повторитель.

Рис. 6.6. Включение биполярного транзистора

Входное

напряжение

схемы

является

суммой напряжений

n–р–п-типапо схеме с общим коллектором

база–эмиттер

и

выходного

напряжения.

Входное

сопротивление

схемы

ОК

 Электроника. Конспект лекций

-101-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-раи принцип действиябип-готранзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ ипар-рыдля осн. схем включения.

Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее:

KU =Uвых/(Uбэ +Uвых)< 1.

(6.10)

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения сведены в табл. 6.2.

	Основные свойства схем включения		Таблица 6.2
Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
ki	Десятки – сотни	< 1	Десятки – сотни
KU	Десятки – сотни	Десятки – сотни	< 1
KP	Сотни–десятки	Десятки – сотни	Десятки – сотни
Rвх	тысяч
	Сотни ом –	Единицы –	Десятки –
	единицы килоом	десятки ом	сотни килоом
Rвых	единицы –	Сотни килоом –	Сотни ом –
	десятки килоом	Единицы мегаом	единицы килоом
Фазовый
сдвигмежду	180°	0°	0°
Uвхи Uвых

К основным предельным параметрам БТ относятся максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттерUкэ.max, максимальный постоянный ток коллектораIк.max и максимальная рассеиваемая мощность на коллектореРк.max. При определенных применениях БТ необходимо учитывать и предельно допустимое значение обратного напряжения перехода эмиттербазаUэб.max, также приводимое в справочных данных.

 Электроника. Конспект лекций

-102-

studfiles.net

20. Принцип работы биполярного транзистора. 21. Npn- и pnp-транзистор.

Разрез биполярного транзистора (bipolar junction transistor, или BJT) схематически показан на рисунке слева вверху. Он образуется двумя P-N переходами, соединенными встречно. В данном случае очень тонкая внутренняя область, называемая базой, имеет р-проводимость, а весь транзистор имеет структуру n-p-n (существуют также транзисторы p-n-p). К правому переходу прикладывается внешнее положительное напряжение, повышающее его потенциальный барьер, как показано на рисунке слева внизу. Тогда при понижении потенциального барьера левого перехода отрицательным внешним напряжением электроны пойдут в базу, но в силу ее очень малой толщины тут же достигнут правого перехода и будут подхвачены положительным напряжением правой области, переходя в нее. Следуя этому поведению электронов, левая область называется эмиттером, а правая – коллектором. То же самое будет и для дырок в p-n-p транзисторе.

Очень небольшая часть электронов, перешедших в базу соединится с дырками и взаимоуничтожится (рекомбинирует), эти носители образуют электрический ток базы. Основной ток пойдет в коллектор. Наиболее распространенная схема усиления с общим эмиттером приведена в центре рисунка. Она аналогична схеме включения лампового триода на рис.7, при этом коллектор похож на анод, а эмиттер на катод. Однако существует довольно существенное отличие: в лампах работают без тока сетки, тогда как в транзисторе принципиально должен быть ток базы. Это означает, что транзистор по этой схеме имеет сравнительно с лампой низкое входное сопротивление. Приведенный справа внизу на рисунке эмиттерный повторитель аналогичен катодному повторителю. Его усиление по напряжению примерно равно 1 (нет усиления), однако входные токи базы значительно меньше, то есть входное сопротивление выше, чем в усилителе с общим эмиттером. Усилительные свойства транзистора характеризуются статическим коэффициентом передачи тока h 21Э , приводимым в справочниках для схемы с общим эмиттером. Этот коэффициент дается для определенного режима по постоянному току (напряжение между коллектором и эмиттером, ток коллектора или эмиттера) и показывает во сколько раз ток коллектора больше тока базы (иначе, коэффициент усиления по току β).

22. Классы работы усилителя.

Выбор рабочей точки усилителя определяет класс работы усилителя, изображенный на рисунке. Класс А предполагает работу всего сигнала в пределах линейной области и обеспечивает самые малые искажения сигнала, однако при низком к.п.д. Например, на приведенной схеме в резисторе нагрузки теряется по постоянному току значительная мощность при большой постоянной составляющей тока. Снизив постоянную составляющую тока в рабочей точке до нуля, получаем класс В. С целью дальнейшего уменьшения потерь мощности по постоянному току в коллекторном резисторе прибегают к комплементарной паре транзисторов (n-p-n и p-n-p), включенных последовательно, как показано на рисунке справа . Каждый из транзисторов пары работает в одном полупериоде синусоиды сигнала, как показано в центе рисунка, во втором полупериоде он закрыт. Однако на практике трудно настроить усилитель, чтобы на выходе оба полупериода точно стыковались, на рисунке эта нестыковка преувеличена, что приведет к искажениям сигнала. По этой причине используется промежуточный класс АВ.

studfiles.net

Биполярный транзистор. Принцип работы. — МегаЛекции

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Устройство и принцип действия

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством.

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора.

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β. Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) UЭБ>0;UКБ<0;

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

 

6. Классификация транзисторов.

7. Технологический процесс изготовления биполярного транзистора.

Планарно-эпитаксиальный процесс является наиболее употребительным, хорошо освоенным и используется для изготовления интегральных полупроводниковых микросхем малой и средней степени интеграции. На рис. 2.2.1 приведена последовательность выполнения биполярного транзистора с изоляцией p–n-переходами.

Структура этого транзистора приведена на рис. 2.1.6 и для ее выполнения требуется наибольшее число операций и переходов. Менее сложные элементы (резисторы, емкости и др.) могут создаваться в рамках этого наиболее полного технологического процесса путем исключения для этих элементов каких-либо операций или изменения топологии на фотошаблоне.

Первым этапом технологии является подготовка подложки. Обычно это пластина кремния КДБ 10/0,1 с ориентацией (111). Рабочая поверхность шлифуется, полируется до 14-го класса чистоты, предусматривается

стравливание нарушенного слоя. Чаще пластины с такой подготовкой являются покупными компонентами.

На предприятии-изготовителе ИМС производится очистка и окисление рабочей поверхности, создаваемый оксидный слой имеет толщину порядка 1,0 мкм. Эта операция включена в первый этап техпроцесса.

 

Рис. 2.2.1. Последовательность выполнения ИМС на базе биполярного транзистора (планарно-эпитаксиальная

Технология)

Ко второму этапу отнесена фотолитография-1, в рамках которой за счет материала оксидного слоя создается высокотемпературная маска с топологией, соответствующей скрытому подколлекторному слою. Фотолитография включает нанесение фоторезиста, например ФП-383, его сушку при 90…120 °С; далее производится совмещение

фотошаблона и экспонирование слоя фоторезиста в потоке ультрафиолетового света. Последующее проявление в данном случае растворяет с большей скоростью засвеченный участок фоторезиста и тем самым открывает площадь, отведенную под подколлекторный слой. Дубление представляет нагрев пластины до 120…150 °С, выдержку 40 мин для дополнительной полимеризации уже сформированной маски и для увеличения ее кислотостойкости. В последующих литографиях приведенная информация подразумевается, но не указана.

Третий этап технологии – диффузия в приповерхностный слой донорной примеси, изменение за счет этого проводимости с дырочной на электронную. Поскольку в последующем используются неоднократные нагревы до

высоких температур, то существует опасность при этом нежелательного расширения по глубине подколлекторного слоя. По этой причине в качестве примеси выбирается донор с малым коэффициентом диффузии. Чаще для этого используют мышьяк. Четвертая группа операций связана с созданием эпитаксиального слоя. Для описываемого процесса получают слой с электронной проводимостью (n-эпитаксиальный слой), толщина его находится в пределах нескольких микрометров. Температура эпитаксиального наращивания находится в районе 1200…1300 °С. При

этом примесь из подколлекторного слоя диффундирует в эпитаксиальный слой.

После эпитаксии производится окисление и проводится вторая фотолитография для создания на поверхности

пластины окон в оксиде кремния, соответствующих конфигурации будущего разделительного (электрически изолирующего) слоя p-типа (пятая группа операций). Разделительная диффузия проводится на всю глубину эпитаксиального слоя, сопровождается диффузией в

боковые стороны. На слой электрической изоляции отводится до тридцати процентов площади пластины. Этим шестым этапом завершается процесс получения изолированных областей под каждый из элементов

электрической схемы. Фотолитография-3 с предварительным удалением предыдущей маски и последующим окислением

необходима как седьмой этап для вскрытия в пленке оксида окон под базовую диффузию.

Базовая диффузия (восьмая группа операций) связана с внедрением акцепторной примеси, обычно бора, и необходима для создания области базы, проводится при температурах 1260…1270 °С в газовой среде.

Далее производится удаление с поверхности уже существующей маски и последующее окисление.

В созданной пленке оксида кремния вскрываются окна под области эмиттера и коллектора. В схеме техпроцесса это обозначено как девятая группа операций – литография-4.

Десятый блок операций включает диффузию примеси n-типа (фосфор), которая проводится при температурах 1260…1270 °С таким образом, чтобы между границами области эмиттера и базы по глубине достигался заданный размер. Эта величина и определяет коэффициент усиления. Коллекторная область по глубине соответствует эмиттерной, но это не критично, поскольку назначением области является дополнительное легирование приповерхностного слоя под коллекторным контактом для уменьшения переходного сопротивления (устранения возможности возникновения диода Шоттке).

В одиннадцатую группу операций включены удаление маски от предыдущих операций, окисление и литография-5 для вскрытия окон под контакты к областям эмиттера, базы и коллектора.

В двенадцатый блок операций включена только металлизация поверхности алюминием, в процессе которой создаются контакты к эмиттерной, базовой и коллекторной областям. Обычно металлизация поверхности проводится

напылением в вакууме из резистивного испарителя.

Последующий блок операций содержит фотолитографию-6, в результате которой формируется межэлементная

металлическая разводка. Для уменьшения переходного сопротивления на контактах проводится также отжиг пластин (вжигание) при температурах 240…245 °С. Кроме того возможно создание защитного слоя поверх

металлической разводки.

В результате выполнения приведенных выше блоков операций в пластине кремния по сути заканчивается создание микросхемы. Последующие контроль на функционирование, разрезка пластины на кристаллы, монтаж кристаллов в корпус, герметизация, маркировка и упаковка мало отличаются во всех рассматриваемых процессах

и в данном случае не показаны.

 

8. Классификация интегральных схем.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

megalektsii.ru

---

• 
  Механические датчики давления
• 
  Как остановить электрический счетчик электронный
• 
  Конец магнита 5 букв
• 
  Как выбрать и подключить узо
• 
  В магнитном поле находится несколько витков провода замкнутого на резистор
• 
  Толщина проволоки
• 
  Терморезисторы фото
• 
  Энергосберегающая розетка
• 
  Система шин определение
• 
  Когда включается отопление по закону
• 
  Электронизация это