Биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы устройство принцип действия

§2.2 Биполярные транзисторы: устройство и принцип действия

Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn /обратные/ и pnp /прямые/ транзисторы.

В реальных конструкциях одна из крайних областей имеет большую степень легирования и меньшую площадь, её называют эмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором, а среднюю – базой. Переход, образованный эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой – коллекторным переходом. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

e- из Э1 инжектируются в Б1

,где

<1 - статический коэффициент передачи тока эмиттера

- обратный ток коллекторного перехода

Существует множество технологий производства транзисторов.

[1] Сплавной транзистор

Sk => больше носителей инжектируются в коллектор

[2] Эпитаксиально-планарный транзистор

Окислении /вскрытие окна меньшего размера/

Получилиnpn-транзистор

[3] Скрабирование – разрезание

Условно графически обозначается:

§2.3 Транзистор, как усилитель напряжения и мощности

; ;

Транзистор обладает способностью усиливать электрические сигналы.

§2.4 Эффект модуляции толщины базы

Явление изменения толщины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли /Ирли/ /Early/.

Следствия эффекта модуляции толщины базы:

Статический коэффициент передачи тока эмиттера будет зависеть от напряжения на коллекторном переходе.
Ток коллектора будет увеличиваться с ростом напряжения на коллекторном переходе.
С ростом напряжения на коллекторном переходе будет увеличиваться быстродействие транзистора
Будет наблюдаться влияние напряжения на коллекторном переходе на входную цепь транзистора. Это явление называетсявнутренней отрицательной обратной связью по напряжению.

при большем напряжении .

Чтобы ток остался постоянным, не должен меняться градиент концентрации, т.е. график параллелен начальному.

-коэффициент обратной связи по напряжению

;

§2.5 Схемы включения и режимы работы транзисторов

(1) схема с общей базой	(2) схема с общим эмиттером	(3) схема с общим коллектором

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

Нормальный активный режим /НАР/ - Э-переход смещён в прямом направлении, К-переход смещён в обратном направлении
Режим насыщения – Э- и К-переходы смещены в прямом направлении
Режим отсечки - Э- и К-переходы смещены в обратном направлении
Инверсный активный режим /ИАР/ - Э-переход смещён в обратном направлении, К-переход смещён в прямом направлении.

НАР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах.

Такие схемы называются ключевыми (0/1).

ИАР

Аналоговый ключ будет лучше при применении ИАР.

studfiles.net

Содержание

1. Принцип действия биполярного транзистора.3

1.1. Инжекция носителей заряда через прямосмещённый эмиттерный переход.4

1.2. Диффузионное распространение инжектированных носителей заряда в базе от эмиттерного перехода к коллекторному переходу с одновременной рекомбинацией части их в области базы.6

1.3. Экстракция носителей заряда через обратносмещённый коллекторный переход.9

2. Статические характеристикибиполярного транзистора.10

2.1. Статические характеристики транзистора в схеме с общей базой.11

2.2. Статические характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.20

Литература.33

1. Принцип действия биполярного транзистора

Рассмотрим бездрейфовый транзистор p-n-p-типа, включенный по схеме с общей базой (ОБ).

Рис. 1. Схема включения транзистора с ОБ

На рис. 1 большими кружками обозначены основные носители заряда в эмиттере (Э), базе (Б), коллекторе (К), маленькими кружочками – неосновные носители заряда.

Различают следующие режимы работы транзистора:

Активный режим (А.Р.) – эмиттерный переход (ЭП) включён в прямом направлении (Uэп>0), коллекторный переход (КП) в обратном направлении (Uкп<0). Самый распространённый режим работы транзистора.

Режим отсечки – ЭП и КП включены в обратном направлении, все токи малы, это соответствует запертому состоянию транзистора.

Режим насыщения (Р.Н.) – ЭП и КП включены в прямом направлении, это соответствует отпертому состоянию транзистора.

Запертое и отпертое состояния транзистора используются в ключевых устройствах. При переходе из одного устойчивого состояния (из запертого в отпертое и наоборот) используется и А.Р.

Инверсный режим – ЭП включён в обратном направлении (Uэп<0), а коллекторный переход в прямом (Uкп>0).

На рис.1 ЭП включен в прямом направлении, КП – в обратном, что соответствует А.Р.

Рассмотрим основные рабочие процессы в транзисторе.

1.1. Инжекция носителей заряда через прямосмещенный эп

При прямом включении ЭП через пониженный по высоте барьер (рис. 2) идут основные носители заряда 1 и 2, создающие ток диффузии. Неосновные носители заряда 3 и 4 тоже идут через ЭП, т.к. поле в переходе является для них ускоряющим, и создают ток дрейфа IЭ0. Ток дрейфа IЭ0 значительно (на много порядков) меньше тока диффузии, поэтому ток через эмиттерный переход IЭ практически можно считать равным току диффузии, то есть .

(1) (2)

Дырочная составляющая эмиттерного тока IЭp, образованная дырками

потока 1, впрыснутыми из эмиттера в базу, является полезной, от ее величины зависит выходной ток – ток коллектора IК. Ее стараются увеличить.

Рис. 2. Диаграмма энергетических уровней биполярного транзистора

p-n-p-типа в активном режиме

Электронная составляющая эмиттерного тока IЭn, образованная электронами потока 2, впрыснутыми из базы в эмиттер, является бесполезной, даже вредной (чем больше электронов в базе, тем больше рекомбинация их с дырками потока 1, впрыснутыми из эмиттера, тем меньше дырок потока 1 дойдет до КП, тем меньше IК; кроме того, IЭn требует расхода мощности от источника питания во входной цепи). Ее стараются уменьшить.

Параметром этого процесса является - коэффициент инжекции, эффективность эмиттера:

Для увеличения  обычно берут резко несимметричный p-n-переход (удельная электропроводность эмиттера Э берется значительно больше удельной электропроводности базы, т.е. Э значительно сильнее легируют примесями по сравнению с Б).

Дырочная составляющая тока эмиттера IЭp= IЭ, а электронная составляющая тока эмиттера IЭn = IЭ –IЭр = IЭ -IЭ = (1-)IЭ .

studfiles.net

Биполярные транзисторы - это... Что такое Биполярные транзисторы?

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

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 коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора

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, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. 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. 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. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передает 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 = α / (1 − α) =(10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим;
Инверсный активный режим;
Режим насыщения;
Режим отсечки;

Нормальный активный режим

Переход эмиттер — база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор — база — в обратном (закрыт)

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).

Схемы включения

Схема включения с общей базой

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

Для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой :

Схема не усиливает ток, так как α < 1
Малое входное сопротивление
Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства:

Хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером

Iвых=Iк Iвх=Iб Uвх=Uбэ Uвых=Uкэ

Достоинства:

Большой коэффициент усиления по току

Большое входное сопротивление
Можно обойтись одним источником питания

Недостатки:

Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Схема с общим коллектором

Iвых=Iэ Iвх=Iб Uвх=Uбк Uвых=Uкэ

Достоинства:

Большое входное сопротивление
Малое выходное сопротивление

Недостатки:

Не усиливает напряжение

Схему с таким включением также называют «эмиттерным повторителем»

Технология изготовления транзисторов 1

Планарно-эпитаксиальная
Сплавная
- Дифузионный
- Дифузионносплавной

Применение транзисторов

Ссылки и литература

biograf.academic.ru