Bipolär transistor

En bipolär transistor är en halvledarenhet med  tre elektroder , en av typerna av transistorer . Två pn-övergångar bildas i halvledarstrukturen , genom vilken laddningsöverföring utförs av bärare av två polariteter - elektroner och hål . Det är därför enheten kallades "bipolär" (från engelskan  bipolar ), i motsats till fälttransistorn (unipolär) .

Det används i elektroniska enheter för att förstärka eller generera elektriska svängningar, såväl som ett kopplingselement (till exempel i TTL- kretsar ).

Enhet

En bipolär transistor består av tre halvledarskikt med en alternerande typ av föroreningsledning : emitter (betecknad med "E", eng.  E ), bas ("B", eng.  B ) och kollektor ("K", eng.  C ) . Beroende på ordningen för växling av skikt, särskiljs npn (emitter - n - halvledare , bas - p - halvledare , kollektor - n - halvledare) och pnp transistorer. Ledande icke-likriktande kontakter är anslutna till vart och ett av lagren [2] .

Ur synvinkel av typer av ledningsförmåga är emitter- och kollektorskikten oskiljbara, men under tillverkningen skiljer de sig avsevärt i graden av dopning för att förbättra enhetens elektriska parametrar. Kollektorskiktet är lätt dopat vilket ökar den tillåtna kollektorspänningen. Emitterskiktet är kraftigt dopat: storleken på den omvända genombrottsspänningen i emitterövergången är inte kritisk, eftersom transistorer vanligtvis arbetar i elektroniska kretsar med en framåtspänd emitterövergång. Dessutom ger kraftig dopning av emitterskiktet bättre minoritetsbärarinjektion i basskiktet , vilket ökar strömöverföringskoefficienten i vanliga baskretsar. Basskiktet är lätt dopat, eftersom det ligger mellan emitter- och kollektorskiktet och måste ha ett högt elektriskt motstånd .

Den totala arean av bas-emitterövergången är mycket mindre än arean för kollektor-basövergången, vilket ökar sannolikheten för att fånga minoritetsbärare från basskiktet och förbättrar överföringskoefficienten. Eftersom kollektor-basövergången vanligtvis är påslagen med omvänd förspänning i driftläget, släpps huvuddelen av värmen som avges av enheten i den, och en ökning av dess yta bidrar till bättre kylning av kristallen. Därför är i praktiken en bipolär transistor för allmänt bruk en asymmetrisk anordning (det vill säga en omvänd anslutning, när emittern och kollektorn är omvända, är opraktisk).

För att öka frekvensparametrarna (hastighet) görs basskiktets tjocklek mindre, eftersom detta bland annat bestämmer tiden för "flight" (diffusion i driftfria enheter) för minoritetsbärare. Men med en minskning av tjockleken på basen minskar den begränsande kollektorspänningen, så tjockleken på basskiktet väljs utifrån en rimlig kompromiss.

Tidiga transistorer använde metalliskt germanium som halvledarmaterial . Halvledarenheter baserade på den har ett antal nackdelar , och för närvarande (2015) är bipolära transistorer gjorda huvudsakligen av enkristall kisel och enkristall galliumarsenid . På grund av den mycket höga rörligheten för bärare i galliumarsenid har enheter baserade på galliumarsenid hög hastighet och används i ultrasnabba logiska kretsar och i mikrovågsförstärkarkretsar .

Hur det fungerar

I det aktiva förstärkningsläget slås transistorn på så att dess emitterövergång är framåt - förspänd [3] (öppen), och kollektorövergången är bakåtförspänd (stängd).

I en transistor av npn- typ [4] passerar huvudladdningsbärarna i emittern (elektronerna) genom en öppen emitter-basövergång ( injiceras ) in i basområdet. Vissa av dessa elektroner rekombinerar med majoriteten av laddningsbärarna i basen (hålen). Men på grund av det faktum att basen är mycket tunn och relativt lätt dopad diffunderar de flesta elektronerna som injiceras från emittern in i kollektorområdet, eftersom rekombinationstiden är relativt lång [5] . Det starka elektriska fältet i en omvänd förspänd kollektorövergång fångar upp minoritetsbärare från basen (elektroner) och överför dem till kollektorskiktet. Kollektorströmmen är därför praktiskt taget lika med emitterströmmen, med undantag för en liten rekombinationsförlust i basen, som bildar basströmmen ( I e \u003d I b + I k ).

Koefficienten α, som förbinder emitterströmmen och kollektorströmmen ( I k \u003d α I e ), kallas emitterströmöverföringskoefficienten . Det numeriska värdet av koefficienten α = 0,9–0,999. Ju högre koefficient, desto mer effektivt överför transistorn ström. Denna koefficient beror lite på kollektor-bas- och bas-emitterspänningarna. Därför, över ett brett spektrum av driftspänningar, är kollektorströmmen proportionell mot basströmmen, proportionalitetsfaktorn är β = α / (1 - α), från 10 till 1000. Således driver en liten basström en mycket större kollektor nuvarande.

Funktionssätt


Emitter,
bas
, kollektorspänningar
( )		 Base-emitter
junction offset för npn-typ

 Base-collector
junction offset för npn-typ

 Läge
för npn-typ
direkt omvänd normalt
aktivt läge
direkt direkt mättnadsläge
omvänd omvänd avstängningsläge
omvänd direkt inverterat
aktivt läge

Emitter,
bas
, kollektorspänningar
( )		 Base-emitter
junction offset för pnp-typ

 Base-collector
junction offset för pnp-typ

 Läge
för pnp-typ
omvänd direkt inverterat
aktivt läge
omvänd omvänd avstängningsläge
direkt direkt mättnadsläge
direkt omvänd normalt
aktivt läge

Normalt aktivt läge

Emitter-bas-övergången är på i riktning framåt [3] (öppen), och kollektor-bas-övergången är i motsatt riktning (stängd):

U EB < 0; U KB > 0 (för en transistor av npn- typ), för en transistor av pnp- typ kommer tillståndet att se ut som U EB > 0; U KB < 0.

Inverterat aktivt läge

Emitterövergången är backspänd, och kollektorövergången är framåtspänd: U KB < 0; U EB > 0 (för transistor av npn- typ ).

Mättnadsläge

Båda pn- korsningarna är framåtspända (båda öppna). Om emitter- och kollektor -p-n- övergångarna är anslutna till externa källor i framåtriktningen, kommer transistorn att vara i mättnadsläge. Det elektriska diffusionsfältet för emitter- och kollektorövergångarna kommer att dämpas delvis av det elektriska fältet som skapas av externa källor Ueb och Ucb . Som ett resultat kommer den potentiella barriären som begränsar spridningen av huvudladdningsbärarna att minska, och penetrationen (insprutningen) av hål från emittern och kollektorn in i basen kommer att börja, det vill säga strömmar kommer att flyta genom emittern och kollektorn av transistorn, kallad mättnadsströmmarna för emittern ( I e. us ) och kollektorn ( I K. us ).

Kollektor-emitter-mättnadsspänningen (U KE. us ) är spänningsfallet över en öppen transistor (den semantiska analogen av R SI. öppen för fälteffekttransistorer). På liknande sätt är bas-emitter-mättnadsspänningen (U BE. us ) spänningsfallet mellan basen och emittern på en öppen transistor.

Avskärningsläge

I detta läge är kollektorns pn- övergång förspänd i motsatt riktning, och både bakåt- och framåtförspänning kan appliceras på emitterövergången, utan att överskrida tröskelvärdet vid vilket emissionen av mindre laddningsbärare till basområdet från emittern börjar (för kiseltransistorer, cirka 0, 6-0,7 V).

Cutoff-läget motsvarar villkoret U EB <0,6—0,7 V, eller I B =0 [6] [7] .

Barriärläge

I detta läge är transistorns DC -bas kortsluten eller genom ett litet motstånd med sin kollektor , och ett motstånd är anslutet till transistorns kollektor- eller emitterkrets , som ställer in strömmen genom transistorn. I detta sammanhang är transistorn en sorts diod kopplad i serie med ett ströminställningsmotstånd. Sådana kaskadkretsar kännetecknas av ett litet antal komponenter, bra högfrekvent avkoppling, ett stort driftstemperaturområde och okänslighet för transistorparametrar.

Växla scheman

Varje transistorkopplingskrets kännetecknas av två huvudindikatorer:

Växlingsschema med en gemensam bas

Ingångsresistansen ( ingångsimpedansen ) för ett förstärkarsteg med en gemensam bas beror inte mycket på emitterströmmen, med en ökning av strömmen minskar den och överstiger inte enheter - hundratals ohm för lågeffektsteg, eftersom ingångskretsen av scenen är en öppen emitterövergång för transistorn.

Fördelar Brister

Omkopplingskrets med en gemensam sändare

Fördelar Brister

Gemensam samlarkrets

Fördelar Brister

En krets med en sådan inneslutning kallas ofta för en " sändarföljare ".

Grundläggande parametrar

Transistorparametrar är indelade i egna (primära) och sekundära. Egna parametrar kännetecknar transistorns egenskaper, oavsett schemat för dess inkludering. Följande accepteras som de viktigaste egna parametrarna:

De sekundära parametrarna är olika för olika transistoromkopplingskretsar och är, på grund av sin icke-linjäritet, endast giltiga för låga frekvenser och små signalamplituder. För sekundära parametrar har flera system av parametrar och deras motsvarande ekvivalenta kretsar föreslagits. De viktigaste är blandade (hybrid) parametrar, betecknade med bokstaven " h ".

Ingångsresistans  - Transistorns resistans mot AC-ingång när utgången är kortsluten. Förändringen i ingångsströmmen är resultatet av förändringen i inspänningen, utan effekten av återkoppling från utspänningen.

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

Spänningsåterkopplingskoefficienten visar vilken andel av den utgående växelspänningen som överförs till transistorns ingång på grund av återkoppling i den. Det finns ingen växelström i transistorns ingångskrets, och förändringen i inspänningen sker endast som ett resultat av en förändring i utspänningen.

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

Strömöverföringskoefficienten (strömförstärkning) indikerar förstärkningen av växelströmmen vid noll belastningsresistans. Utströmmen beror endast på ingångsströmmen utan påverkan av utspänningen.

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

Utgångskonduktans  - Intern ledning för AC mellan utgångsterminalerna. Utströmmen ändras under påverkan av utspänningen.

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

Förhållandet mellan växelströmmar och transistorspänningar uttrycks med ekvationerna:

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

Beroende på transistorns omkopplingskrets läggs bokstäver till de digitala indexen för h-parametrarna: "e" - för OE-kretsen, "b" - för OB-kretsen, "k" - för OK-kretsen.

För OE-schemat: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . Till exempel för detta schema:

h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.

För OB-schemat: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .

Transistorns inneboende parametrar är associerade med h - parametrar, till exempel för OE-kretsen:

;

;

;

.

Med ökande frekvens börjar kapacitansen hos kollektorövergången C att ha en märkbar effekt på transistorns funktion . Dess reaktans minskar, shuntar belastningen och minskar därför förstärkningarna α och β. Emitterövergångsmotståndet Ce minskar också, men det shuntas av ett lågt korsningsmotstånd r e och kan i de flesta fall ignoreras. Dessutom, med ökande frekvens, uppstår en ytterligare minskning av koefficienten β som ett resultat av fördröjningen av kollektorströmfasen från emitterströmfasen, vilket orsakas av trögheten i processen att flytta bärare genom basen från emittern koppling till kollektorövergången och trögheten i laddningsackumulerings- och resorptionsprocesserna i basen. Frekvenserna vid vilka koefficienterna α och β minskar med 3 dB kallas gränsfrekvenserna för strömöverföringskoefficienten för OB- respektive OE-kretsarna.

I det pulsade läget ändras kollektorströmmen med en fördröjning med fördröjningstiden τc relativt ingångsströmpulsen, vilket orsakas av den ändliga transittiden för bärvågorna genom basen. Med ackumuleringen av bärare i basen ökar kollektorströmmen under varaktigheten av fronten τ f . Transistorns starttid kallas τ på \ u003d τ c + τ f .

Strömmar i en transistor

Strömmar i en bipolär transistor har två huvudkomponenter.

Bipolär mikrovågstransistor

Bipolära mikrovågstransistorer (BT microwave) används för att förstärka svängningar med en frekvens över 0,3 GHz [8] . Den övre frekvensgränsen för BT-mikrovåg med en uteffekt på mer än 1 W är cirka 10 GHz. Majoriteten av högeffektmikrovågs-BT är av npn-typ i struktur [9] . Enligt metoden för bildande av övergångar är mikrovågs-BT:er epitaxiellt plana . Alla mikrovågs-BT, förutom de mest lågeffekts-, har en multi-emitterstruktur (kam, mesh) [10] . Beroende på effekten av BT är mikrovågsugnen uppdelad i lågeffekt (förbrukad effekt upp till 0,3 W), medeleffekt (från 0,3 till 1,5 W) och kraftfull (över 1,5 W) [11] . Ett stort antal högspecialiserade typer av BT-mikrovågor [11] tillverkas .

Transistorteknik

Tillämpningar av transistorer

Se även

Anteckningar

  1. ↑ GOST 2.730-73 Unified system för designdokumentation. Villkorliga grafiska beteckningar i scheman. Halvledarenheter. . Hämtad 4 november 2020. Arkiverad från originalet 22 augusti 2018.
  2. ↑ Icke-likriktande, eller ohmsk kontakt  - kontakten mellan två olika material, vars ström-spänningskarakteristik är symmetrisk vid polaritetsändring och är nästan linjär.
  3. ↑ 1 2 Forward bias av pn-övergången betyder att p-typ-regionen har en positiv potential i förhållande till n-typ-regionen.
  4. ↑ För pnp- fallet är alla argument likartade med ersättningen av ordet "elektroner" med "hål" och vice versa, såväl som med ersättningen av alla spänningar med motsatt tecken.
  5. ↑ Lavrentiev B. F. Elektroniska kretsar . - M . : Publishing Center "Academy", 2010. - S.  53 -68. — 336 sid. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
  6. ↑ Föreläsning nr 7 - Bipolär transistor som aktiv fyrpolig, h-parametrar . Hämtad 25 mars 2016. Arkiverad från originalet 7 april 2016.
  7. ↑ Fysiska grunder för elektronik: metod. instruktioner för laborationer / komp. V. K. Usoltsev. - Vladivostok: Publishing House of the Far Eastern State Technical University, 2007. - 50 s.: ill.
  8. ↑ Kuleshov, 2008 , sid. 284.
  9. ↑ Kuleshov, 2008 , sid. 285.
  10. ↑ Kuleshov, 2008 , sid. 286.
  11. ↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , sid. 292.

Länkar

Litteratur