Ключевой режим работы биполярного транзистора: § 3.2. Ключевой режим работы биполярных транзисторов

§ 3.2. Ключевой режим работы биполярных транзисторов

Транзисторная
импульсная и цифровая техника базируется
на работе транзистора в качестве ключа.
Замыкание и размыкание цепи нагрузки
– главное назначение транзистора,
работающего в ключевом режиме. По
аналогии с механическим ключом (реле,
контактом), качество транзисторного
ключа определяется в первую очередь
падением напряжения (остаточным
напряжением ) на транзисторе в замкнутом
(открытом) состоянии, а также остаточным
током транзистора в выключенном
(закрытом) состоянии.

Важность
рассмотрения свойств транзисторного
ключа для уяснения последующего материала
вытекает из того, что путем изменения
состояний транзистора в последовательной
цепи с резистором и источником питания
осуществляются, по сути дела, формирование
сигналов импульсной формы , а также
различные преобразования импульсных
сигналов в схемах и узлах импульсной
техники. Транзистор применяют также в
качестве бесконтактного ключа в цепях
постоянного и переменного токов для
регулирования мощности, подводимой
нагрузке.

Основой
всех узлов и схем импульсной и цифровой
техники являются так называемая ключевая
схема — каскад на транзисторе,

Работающем
в ключевом режиме. Построение ключевой
схемы подобно усилительному каскаду.
Транзистор в ключевой схеме может
включаться с общей базой, общим эмиттером
и общим коллектором. Наибольшее
распространение получила схема ОЭ. Этот
вид включения биполярного транзистора
и используется далее при рассмотрении
ключевого режима работы.

Ключевая
схема на транзисторе типа р-п-р

показана на рис. 3.3,а. Транзистор Т
выполняет функцию ключа в последовательной
цепи с резистором
и источником питания.

Для
удобства рассмотрения процессов в схеме
в режимах открытого и закрытого состояний
транзистора воспользуемся графо-аналитическим
методом, основанным на построении линии
нагрузки а-б по постоянному току (рис
3.3.б). Линия нагрузки описывается
соотношением
и проводится так же , как для усиленного
каскада. Точки пересечения линии нагрузки
с вольт-амперными характеристиками
транзистора определяют напряжения на
элементах и ток в последовательной
цепи.

Режим
запирания ( режим отсечки) транзистора
осуществляется подачей на его вход
напряжения положительной полярности
(
, указанной на рис. 3.3,а без скобок. Под
действием входного напряжения эмиттерный
переход транзистора запирается
и его ток .
Вместе с тем через резистор
протекает обратный (тепловой) ток
коллекторного перехода .
Режиму закрытого состояния транзистора
соответствует точка
(рис. 3.3, б).

Протекание
через нагрузку теплового тока
связано с тем, что транзистор в закрытом
состоянии не обеспечивает полного
отключения нагрузочного резистора
от источника питания. Малое значение

является одним из критериев выбора
транзистора для ключевого режима работы.

Величину
запирающего входного напряжения
выбирают
из расчета того, чтобы при протекающем
через резистор
тепловом токе было обеспечено выполнение
условия

(3. 1)

Напряжение

для германиевых транзисторов составляет
0,5-2 В.

Режим
открытого состояния транзистора
достигается изменением полярности
входного напряжения ()
и заданием соответствующего тока базы.
Открытое состояние транзистора
характеризует точка
на линии нагрузки.

Определим
необходимые условия для создания
открытого состояния транзистора. С этой
целью предположим, что при
ток
увеличивается постепенно.

Увеличению
тока базы будет соответствовать
увеличение тока коллектора и перемещение
рабочей точки из положения
вверх по линии нагрузки. Напряжение

транзистора при этом постепенно
уменьшается.

До
некоторого граничного значения тока
базы ()
сохраняется известная пропорциональная
зависимость между
и :

(3. 2)

Где

— статический (усредненный) коэффициент
передачи тока транзистора схеме ОЭ ( а
не дифференциальный коэффициент β,
действительный для малого входного
сигнала).

Точка

при токе базы
характеризует «полное» открытие
транзистора. Через транзистор и резистор

протекает ток

(3.3)

Где

— падение напряжения (остаточное
напряжение) на транзисторе в открытом
состоянии.

Остаточное
напряжение ,
являющееся существенным параметром
транзистора в импульсном режиме работы,
должно быть минимальным. В зависимости
от типа прибора напряжение
лежит в пределах 0,05-1 В. Ввиду относительно
малого остаточного напряжения по
сравнению с
расчет тока
открытого транзистора проводится по
формуле

(3. 4)

C
учетом формулы (3.2) находят граничное
значение тока базы
открытого транзистора , при котором
наблюдается пропорциональная зависимость
тока коллектора от тока базы:
(3.5)

Таким
образом , точка
на рис. 3.3., б представляет собой точку
пересечения линии нагрузки с начальным
участком коллекторной характеристики
транзистора .

При
дальнейшем увеличении тока базы ()
остаточное напряжение
остается почти неизменным, так как все
коллекторные характеристики транзистора
при
практически проходят через точку
на рис. 3.3.,б. Режим работы открытого
транзистора при
называют насыщенным , а отношение
– коэффициент насыщения транзистора.

Режим
насыщения широко используют для
обеспечения открытого состояния
транзистора. Его открытое состояние
при этом становится более устойчивым
к воздействию помех во входной цепи, а
положение точки
не зависит от изменения коэффициента
передачи тока
транзистора в частности, с понижением
температуры. В режиме насыщения ток
базы транзистора

(3.6)

Где
коэффициент
для надежного насыщения транзистора в
требуемом температурном диапазоне
может составлять 1,5-3. Найденный ток базы
обеспечивается параметрами входной
цепи ключевой схемы:

(3.7)

Рассмотрим
процессы, протекающие в ключевой схеме
при наличии на ее входе управляющего
импульса напряжения (рис. 3.4,а). Это
необходимо для выяснения свойств схемы
при передаче импульсных сигналов. Примем
входной импульс напряжения идеальной
прямоугольной формы (длительности
переднего и заднего фронтов импульса
равны нулю).

На
интервале
, когда входной импульс напряжения
отсутствует, транзистор заперт напряжением

положительной полярности. Токи
определяются тепловым током транзистора

Напряжение на транзисторе
(рис. 3.4, г).

С
момента времени
( рис. 3.4,а) процессы в схеме обусловливаются
отпиранием транзистора входным импульсом
напряжения отрицательной полярности
.
Это сопровождается изменением тока
и напряжения
транзистора (рис. 3.4, в,г). Как видно из
диаграмм, характер изменения
и
при отпирании транзистора отличается
от вызвавшего их скачкообразного
изменения входного напряжения. Отличие
обусловлено инерционностью транзистора
и проявляется в постепенных нарастаниях
тока
и уменьшении напряжения
. В первом приближении можно принять,
что изменения
и
происходят по экспоненте. Тогда
инерционность транзистора может быть
учтена эквивалентной постоянной времени

(2.78) в предложении ,
где
— интегральная (для большого сигнала)
емкость коллекторного перехода
транзистора в схеме ОЭ.

Если
принять, что ток базы в интервале
отпирания имеет прямоугольную форму с
амплитудой
(рис. 3.4, б), то вызванный им ток
будет изменяться по закону

Коллекторный
ток возрастает по экспоненциальному
закону, стремясь к
(см.рис. 3.4.,в). Однако, достигнув предельного
значения ,
ток
в дальнейшем не изменяется и формирование
фронта импульса
заканчивается.

Положив
в формуле (3.8)
находим длительность фронта нарастания
коллекторного тока транзистора:

(3.9)

С
учетом того, что
, а ,
имеем

(3.10)

Из
соотношения (3.10), следует, что длительность
фронта импульса сокращается с увеличением
коэффициента насыщения транзистора.
Это объясняется тем, что большему
коэффициенту
соответствует больший отпирающий ток,
вследствие чего ток коллектора достигает
установившегося значения за меньший
интервал времени. Так, например, при
получаем

При

(транзистор при отпирании работает в
активном режиме) соотношение (3.10) не
может быть использовано для определения
.
В этом случае уместно говорить об
активной длительности фронта, определяемой
относительно уровней 0,1 и 0,9 установившегося
значения коллекторного тока (3.8):

Характер
изменения
при отпирании транзистора (рис.3.4,г)
подчиняется зависимости .

В
момент времени
действие входного отпирающего импульса
напряжения заканчивается. К базе
транзистора прикладывается запирающее
напряжение .(рис.3.4,а).

С
приложением запирающего напряжения
ток коллектора и напряжение
в течение некоторого интервала времени
остаются неизменными , а транзистор
по-прежнему открыт. Создается задержка
в запирании транзистора. Это объясняется
тем, что к моменту времени
транзистор находится в режиме насыщения
и при наличии запирающего сигнала ток
коллектора поддерживается уходящим из
базы в коллектор избыточными носителями
заряда (дырками). Только после ухода
(рассасывания) избыточных носителей и
перехода транзистора в активный режим
ток коллектора начинает уменьшаться,
а напряжение на коллекторе – возрастать
(рис. 3.4, в,г). Помимо ухода избыточных
носителей заряда по цепи коллектора их
рассасывание осуществляется и по цепи
базы за счет протекания обратного тока
,вызванного
запирающим напряжением. Обратный
(инверсный) ток базы при этом ограничивается
сопротивлением
входной цепи: .

Время,
в течении которого происходит рассасывание
избыточного заряда в базе, называется
временем рассасывания
(рис. 3.4,в). Это время пропорционально
коэффициенту насыщения
. Следующий затем интервал спадания
тока
определяет время заднего фронта (среза)

коллекторного тока.

При
определении
необходимо решать уравнение , описывающее
изменение заряда в базе. Ввиду
пропорциональности заряда в базе току
коллектора (базы) процесс , протекающий
в транзисторе после момента времени

, выражается через токи транзистора в
следующем виде:

,
(3.11)

Где

— эквивалентная постоянная времени,
примерно равная времени жизни неосновных
носителей заряда в базе в режиме
насыщения, но меньшая постоянной времени

(2.79), действительной для активного режима
.

Выражение
(3.11) является уравнением экспоненциальной
кривой , показанной в интервале
пунктиром (рис. 3.4.,в).

Положив
в выражении (3.11) ,
находим

(3.12)

При

ток
и

(3. 13)

После
выхода транзистора из насыщения ток

уменьшается от значения ,
также стремясь к
(рис. 3.4,в), т.е.

,
(3.14)

Положив
по формуле (3.14) ,
получаем

(3.15)

Длительности

характеризуют быстродействие
транзисторного ключа. Как следует из
выражений (3.9), (3.12), (3.15), они зависят от
частотных свойств используемого
транзистора и параметров импульса
базового тока. Порядок их величин
составляет от долей единицы до едениц
микросекунды.

В
настоящее время широко используется
(особенно в интегральных микросхемах)
ключевой режим работы кремниевых
транзисторов типа n-p-n.

По
построению и характеру работы ключевая
схема на транзисторе типа n-p-n
аналогична схеме рис. 3.3,а. Отличие
заключается в противоположных полярностях
напряжения питания
и отпирающего напряжения ,
а также в противоположных направлениях
токов базы, эмиттера, коллектора.

Кремниевые
транзисторы, в частности типа n-p-n
, имеют довольно малый тепловой ток .
Влияние тока
в выходной и входной цепях закрытого
транзистора пренебрежимо мало. По этой
причине запирание этих транзисторов
осуществимо при .
Эта особенность кремниевых транзисторов
дает важное практическое преимущество
– возможность исключить дополнительные
источники запирающего напряжения в
базовых цепях, необходимые для германиевых
транзисторов.

Ключевой режим работы биполярного транзистора — Студопедия

Поделись  

Характер переходных процессов в транзисторе зависит от схемы включения и внутреннего сопротивления источников сигнала. Наибольшее распространение нашла схема ОЭ, поскольку она позволяет получить усиление по току. На рис.5 приведена схема простейшего транзисторного ключа. На рис.6 показано семейство статических выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ, нагрузочная характеристика и расположение рабочих точек А и В. Имеются три характерные области работы транзистора:

область выключения (отсечки) I, область активного режима II и область насыщения III. В ключевых схемах транзистор находится в активном режиме лишь в переходном состоянии. В области насыщения коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует носители в базу, граница между областями II и III определяется условием U_кб=0. На рис.6 показана выходная характеристика при токе базы I_бн, соответствующей этой границе.

Если на базу подано запирающее (положительное для p-n-p-транзистора) напряжение E_б2, то ток базы равен I_б≈-I_кбо, а ток коллектора I’_к=I_кбо К коллекторному переходу приложено напряжение:

U_к = E_K – I’_к R_к≈ E_к

Рабочая точка на выходной характеристике находится в положении А, т.е. в режиме отсечки – транзистор закрыт. В точке А напряжение на электродах практически совпадает с эдс источников питания:

При подаче в цепь базы отпирающего тока I_б1 рабочая точка перемещается в положение B, в цепи коллектора протекает ток I_кн и напряжение коллектора становится равным

U_кн = E_к – I_кн R_к

Статические параметры ключа: остаточное напряжение U_кн во включенном состоянии (рис. 6, точка В) и остаточный ток в выключенном (запертом) состоянии (точка А). В точке В токи электродов определяются параметрами внешних цепей:

Для перевода в режим насыщения необходимо выполнить условие

или, что то же

где В=I_кн/I_бн – коэффициент усиления тока базы в режиме большого сигнала. Силу неравенства (8) характеризуют особым параметром – степенью насыщения S:

S=I_б1/I_бн                                                 (9)

Рассмотрим переходные процессы, происходящие при переключении ключа из состояния «выключено» в состояние «включено» и обратно. Временные диаграммы напряжений, токов накопленного заряда базы при включении и выключении транзисторного ключа приведены на рис.7.

В исходном состоянии транзистор закрыт положительным напряжением Е_б2. Процесс отпирания транзистора при подаче на базу отрицательного напряжения Е_б1 можно разделить на три этапа: задержка фронта, формирование фронта и накопление заряда. Этап задержки фронта обусловлен зарядом входной емкости запертого транзистора от значения Е_б2  до напряжения открывания транзистора U* (для кремниевого транзистора U*» 0,6B, для германиевого U*» 0,2B). Этот процесс протекает с постоянной времени t_c

t_c=R_бС_вх                   (10)

Входную емкость обычно принимают равной сумме барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов:

C_вх = С_{э бар}+ С_{к бар}             (11)

Время задержки фронта t_зф можно определять по формуле:

                                       (12)

В момент t₁ открывается эмиттерный переход и начинается инжекция носителей в базу, транзистор переходит в активный режим. На этом этапе коллекторный ток возрастает до значения I_кн. Процесс формирования фронта характеризуется эквивалентной постоянной времени t_оэ:

где t– время жизни неосновных носителей в базе: — усредненная емкость коллекторного перехода. Длительность фронта t_ф= t₂ — t₁ определяется формулой:

при S >> 1 формула (14) упрощается:

В конце этапа формирования фронта в базе транзистора накапливается заряд Q_гр, а напряжение на переходе коллектор – база падает до нуля. После того, как транзистор начал работать в режиме насыщения, заметных внешних изменений в схеме ключа не происходит. Однако продолжается накопление заряда, причём на данном этапе заряд накапливается не только в базовом, но и в коллекторном слое. В конце этапа стационарный заряд Q_ст. определяется выражением

где  – среднее время жизни носителей в базовом и коллекторном слоях. Длительность этого процесса составляет примерно 3 . Если длительность входного импульса меньше, чем 3 , накопленный заряд будет меньше стационарного значения.

Процесс выключения транзистора начинается в момент t₃ (рис.7), когда на базу подаётся запирающее напряжение. В момент переключения на обоих p-n-переходах сохраняются прямые смещения, близкие к U*. При этом коллекторный ток не меняется и остаётся равным I_кн. Базовый ток принимает значение:

На первом этапе процесса выключения происходит рассасывание накопленного заряда током I_б2. Окончание этапа рассасывания характеризуется тем, что концентрация избыточных носителей на коллекторной границе базы падает до нуля и на коллекторном переходе восстанавливается обратное напряжение. Только после этого может начаться уменьшение коллекторного тока и формирование среза импульса. Длительность этого процесса называется временем рассасывания t_рили временем задержки среза t_зс. В конце этого рассасывания в базе транзистора остаётся некоторый остаточный заряд Q_ост. Время рассасывания определяется выражением

Если запирающий ток настолько мал, что выполняются условия I_б2<< I_б1, I_б2<< I_бн , это выражение принимает вид

По окончании этапа рассасывания начинается последний этап переходного процесса – запирание транзистора. Длительность запирания обычно определяется процессом заряда коллекторной ёмкости, протекающей с постоянной времени , длительность среза по уровню I_к= 0,1×I_кн равна

Общая инерционность транзисторного ключа характеризуется временами включения t_вкл и выключения t_выкл:

При практическом определении времён t_зф, t_ф, t_р, t_с обычно используются уровни0,1I_кн и 0,9I_кн 



Биполярный транзистор — Citizendium

	Основной артикул	Обсуждение	Статьи по теме     [?]	Библиография   [?]	Внешние ссылки   [?]	Версия для цитирования   [?]
	Эта редактируемая основная статья в разработке и подлежит отказу от ответственности . [изменить введение]

Содержание

• 1 История
• 2 Операция
  • 2.1 Коэффициент усиления по току β
  • 2.2 Выходное сопротивление r _O
  • 2.3 Зависимость от частоты
• 3 Каталожные номера

(PD) Изображение: John R. Brews
Планар npn биполярный переходной транзистор, который может быть встроен в интегральную схему.

В электронике биполярный транзистор , более полно биполярный переходной транзистор , представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, используемое для коммутации и усиления. По идее, он состоит из двух pn диодов, расположенных «спина к спине», образующих сэндвич pnp или npn , где p относится к полупроводнику, легированному для создания положительно заряженных носителей (дырок) и npn . 0045 n относится к полупроводнику, легированному для получения отрицательно заряженных носителей (электронов). Более того, центральная область достаточно тонкая, чтобы позволить носителям, инжектированным из одного из крайних слоев ( эмиттер E ), фактически диффундировать через центральную область ( база B ) и собираться другим концом. регион (коллектор C ).

Очень небольшие изменения напряжения перехода эмиттер-база имеют экспоненциальное влияние на количество носителей, инжектируемых из эмиттера, поэтому база имеет огромный контроль над током, протекающим через базу к коллектору. Кроме того, ток, потребляемый базой при нормальной работе, очень мал, поэтому устройство хорошо служит для усиления либо сигнала тока, либо сигнала напряжения, подаваемого на базу.

История

Биполярный транзистор был исторически первым изобретенным транзистором. До изобретения полупроводниковых устройств в 1947 году Бардином, Браттейном и Шокли из Bell Laboratories полупроводниковые устройства представляли собой только двухконтактные устройства, такие как диоды и выпрямители. Дополнительную информацию об истории и развитии этого устройства можно найти в исторической статье Shockley ^[1] и в более поздней истории. ^[2]

Эксплуатация

(PD) Изображение: John R. Brews
Ленточная диаграмма биполярного транзистора npn со смещением в активном режиме.

Биполярный транзистор может работать в нескольких режимах, отличающихся тем, какие переходы инжектирующие (прямое смещение эмиттер-база или коллектор-база или оба) и собирающие (обратное смещение эмиттер-база или коллектор-база, или оба ). Здесь основное внимание уделяется активной моде , в которой переход эмиттер-база инжектирует, а переход коллектор-база собирает. Этот режим обычно используется в аналоговых схемах.

Используя полосную диаграмму, показанную справа, можно понять операцию. На схеме показан npn-транзистор со смещением в активном режиме. Это одномерное сечение по вертикали через центр излучателя. 9Зона проводимости 0045 , обозначенная CB , показывает наименьшую энергию электрона (в электрон-вольтах или энергии, деленной на заряд электрона) в зоне проводимости полупроводника в зависимости от положения в npn-транзисторе. Валентная зона , обозначенная как VB , показывает самую высокую энергию электронов в валентной зоне полупроводника. Эти два энергетических уровня разделены энергетической щелью полупроводника , областью запрещенной энергии для электрона. CB и VB различаются по положению внутри транзистора по двум причинам: различия в уровнях легирования от n- до p- и n- слоев типа, а также изменения электрического потенциала в структуре.

Если смещение не применяется, края полос изменяются, поскольку атомы примеси определяют количество носителей, и полосы должны корректировать положение, чтобы обеспечить правильную плотность носителей. Уровни Ферми основных носителей в различных областях показаны как определяемые уровнями легирующей примеси: E _Fn для электронов в свободном от поля объеме эмиттера, E _Fp для дырок в свободной от поля части базы и E _Fn для электронов в поле -свободный объем коллектора. Если смещения сведены к нулю, все эти уровни Ферми совпадают. Подробнее см. в статьях о полупроводниках и полупроводниковых диодах.

Когда применяется смещение, относительные энергии различных областей изменяются, нарушая равновесие и вызывая корректировку краев полосы в ответ. Уровни Ферми разделяются приложением напряжения смещения к переходам. Прямое смещение V _BE разделяет дырочный уровень Ферми в базе и электронный уровень Ферми в эмиттере. Аналогично, обратное смещение V _CB разделяет электронный уровень Ферми в объемном коллекторе от дырочного уровня Ферми в бесполевой области базы.

Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, то есть база сделана положительной по отношению к эмиттеру, притягивая электроны. Это прямое смещение V _BE уменьшает барьер φ _n препятствующий проникновению электронов в базу. Поскольку барьер меньше, электроны входят в базу, повышая концентрацию электронов в базе выше нормального равновесного уровня и создавая градиент концентрации электронной плотности поперек базы. Этот градиент управляет диффузионным потоком электронов через базу (транспорт в соответствии с законом диффузии Фика) к коллектору. При этом коллектор смещен в обратном направлении напряжением V _CB по отношению к базе, т. е. сделан положительным по отношению к базе, поэтому притягивает электроны. Это притяжение уменьшает плотность электронов на стороне коллектора базы, увеличивая градиент электронной плотности в свободной от поля части базы. Электроны, диффундирующие через базу, в конце концов достигают конца области без поля и попадают в ускоряющее электрическое поле, создаваемое обратным смещением на коллекторе. Затем транспорт электронов переключается с диффузии за счет градиента носителей на дрейф под действием электрического поля.

Сильное влияние смещения база-эмиттер на ток коллектора можно понять с точки зрения его большого влияния на плотность электронов на границе раздела база-эмиттер. Число электронов на вершине барьера в exp(− φ _n / V _th ) меньше, чем плотность в самом эмиттере. Здесь В _th — это так называемое тепловое напряжение , определяемое по формуле:

Vth = kBTq , {\ displaystyle V_ {th} = {\ frac {k_ {B} T} {q}} \,}

, где k _B — постоянная Больцмана, а T — температура в кельвинах. При 290 К В _й ≈ 25 мВ. Таким образом, изменение высоты этого барьера за счет приложенного смещения на V _BE меньше означает, что плотность электронов на вершине барьера становится больше в exp( V _BE / V _th ), большой экспоненциальный рост.

Используя тот же аргумент, обратная инжекция дырок из базы в эмиттер также увеличивается с тем же экспоненциальным коэффициентом. Эти дырки рекомбинируют с электронами в эмиттере и образуют паразитное потребление тока, которое должно обеспечиваться базовым током.

Биполярный транзистор с гетеропереходом пытается уменьшить обратную инжекцию дырок в эмиттер за счет включения эмиттера с широкой запрещенной зоной, который увеличивает барьер φ _p без увеличения φ _n путем изменения выравнивания валентности зоны эмиттера и базы без существенного изменения выравнивания зоны проводимости. Точно так же базовые материалы с узкой запрещенной зоной могут уменьшить электронный барьер без снижения дырочного барьера за счет перестройки зон проводимости эмиттера и базы без существенного изменения выравнивания валентной зоны. ^[3]

Коэффициент усиления по току β

(PD) Изображение: John R. Brews
График Гуммеля и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора с гетероструктурой GaAs/AlGaAs. ^[4]

В приложениях ключевым параметром является усиление биполярного тока, отношение постоянного тока коллектора к постоянному току эмиттера, обычно называемое усилением тока с общим эмиттером и обозначаемое β . Ввиду сходства между прямой инжекцией электронов из эмиттера в базу и обратной инжекцией дырок в эмиттер можно было бы простительно ожидать небольшой разницы. Тем не менее, структура может быть спроектирована таким образом, чтобы значительно способствовать инжекции прямого тока по сравнению с инжекцией дырок обратно. На сравнение влияют несколько факторов. Во-первых, сильное легирование эмиттера и слабое легирование базы увеличит плотность электронов на барьере φ _n по сравнению с плотностью отверстий при φ _p . Кроме того, увеличение градиента плотности носителей в базе увеличит ток диффузии электронов, что позволяет предположить, что узкая база способствует прямой инжекции. (Узкое основание увеличивает градиент, приближая высокую плотность электронов вблизи эмиттера к низкой плотности рядом с коллектором.) Точно так же более низкий градиент плотности дырок в эмиттере будет подавлять обратную инжекцию. В отличие от базы, где коллектор с обратным смещением обеспечивает низкую плотность носителей на дальней стороне базы, в эмиттере эту функцию выполняет рекомбинация дырок на границе металлического или поликремниевого контакта с эмиттером. Выяснилось, что контакт из поликремния выгоден тем, что ток дырок в поликремнии уменьшен по сравнению с кремнием не из-за влияния на градиент концентрации дырок, а из-за того, что в поликремнии протекает гораздо меньший ток, чем в кристаллическом кремнии при том же градиенте.

На рисунке показана диаграмма Гуммеля для одного биполярного транзистора. ^[5] Это логарифмический график токов коллектора и базы в зависимости от напряжения база-эмиттер , в идеале две прямые линии, разделенные коэффициентом усиления по току β . Этот график полезен для демонстрации диапазона смещения, в котором токи следуют этой экспоненциальной зависимости от напряжения база-эмиттер, центра этого графика и начала неидеального поведения при высоких и низких уровнях тока. Это также позволяет оценить зависимость текущего уровня усиления от текущего уровня.

Выходная сопротивление

R _O

(PD) Изображение: John R. Brews
Эскиз биполярного коллекционера. тока базы I _B , показывающая экстраполяцию асимптот к раннему напряжению.

В аналоговых устройствах, таких как токовые зеркала или активные нагрузки, важно, чтобы транзистор имел большое выходное сопротивление. Такие схемы имитируют источник тока или сток тока, и сопротивление Нортона такой схемы должно быть большим для идеального поведения.

Выходное сопротивление, обычно обозначаемое как r _O , является мерой того, какое изменение напряжения коллектор-база необходимо, чтобы вызвать заданное изменение выходного тока транзистора, когда транзистор находится в активном режиме. Причина, по которой изменение V _CB изменяет ток, заключается в том, что ширина области нейтральной базы, где ток определяется градиентом плотности носителей, сужается, когда переход CB становится более смещенным в обратном направлении. Поэтому градиент плотности носителей , представляющий собой разницу между высокой плотностью вблизи эмиттера и низкой плотностью вблизи коллектора, деленную на ширину нейтральной базы, увеличивается с увеличением обратного смещения CB-перехода. Это явление называется либо модуляция ширины базы или Ранний эффект . ^[6] Согласно простой эмпирической модели (см. рисунок) выходное сопротивление определяется выражением:

rO=∂VCE∂IC|IB=константа=VA+VCEIC(IB, VCE) , {\displaystyle r_{O}=\left.{\frac {\partial V_{CE}}{\partial I_{ C}}} \ right | _ {I_ {B} = {\ text {константа}}} = {\ frac {V_ {A} + V_ {CE}} {I_ {C} (I_ {B}, \ V_ {CE})}}\ ,}

, где В _A называется Раннее напряжение и является параметром, входящим в большинство моделей транзисторов. текущий I _C (I _B , V _CE ) — ток коллектора, оцененный при выбранном базовом токе и выбранном напряжении. V _CE . Напряжение В _CE используется вместо В _CB , потому что выходное сопротивление подключено между коллектором и эмиттером в модели гибридного пи (обсуждается в разделе о частотной зависимости ниже), что удобно но физически немотивирован. Поскольку В _BE относительно невелико и не сильно меняется, разница между напряжением CB и напряжением CE в этом определении является второстепенной.

На рисунке показан наклон выходного тока как 1/ r _O и показано, как он увеличивается (как r _O уменьшается, как следует из формулы) по мере увеличения тока коллектора.

Упрощенная модель соотношения ток-напряжение постоянного тока для биполярного устройства в активном режиме, включая эффект Раннего, выглядит следующим образом: 9{\ left (v_ {BE} / V_ {th} \ right)} -1 \ right) \ left (1 + {\ frac {v_ {CE}} {V_ {A}}} \ right) \,}

, где β ₀ — это значение β , экстраполированное до V _CE = 0, V _TH — это уже упомянутое термотатное напряжение и I _S . который варьируется от устройства к устройству, называемому током насыщения . Выражение базового тока представляет собой простой диодный закон для EB-перехода.

Частотная зависимость

(PD) Изображение: Джон Р. Брюз
Биполярная гибридная пи-модель с паразитными емкостями для моделирования частотной зависимости.

(PD) Изображение: John R. Brews
Зависимость частоты перехода от уровня тока коллектора в Si-Ge HBT. ^[8]

Другим важным качеством устройства является его скорость отклика на переходные сигналы. Биполярный транзистор является очень нелинейным устройством, поэтому его переходная характеристика для больших сигналов требует численного расчета. Тем не менее, некоторое представление можно получить, используя модель слабого сигнала и рассматривая устройство для небольших вариаций состояния покоя (его Q-точка ). Такая схема показана на рисунке для устройства, смещенного в активном режиме, модели hybrid-pi . Эта схема уменьшает проблему частотной характеристики до постоянных времени RC , связанных с зарядом и разрядом различных емкостей через соответствующие им резисторы.

Чтобы свести частотную характеристику к одному числу (по общему признанию, ограниченная сводка достоинств) так называемая частота перехода , обозначенная f _T или f _t . Эта частота определяется путем изучения коэффициента усиления тока короткого замыкания транзистора, который можно оценить с помощью гибридной пи-модели в конфигурации с общим эмиттером. При подаче на базу тока слабого сигнала и замыкании коллектора на эмиттер, который заземлен, ток, протекающий в транзистор через коллектор, равен:

ic = (gm-jωCμ) vπ , {\ displaystyle i_ {c} = \ left (g_ {m} -j \ omega C _ {\ mu} \ right) v _ {\ pi} \,}

, а ток сигнала связан с входным напряжением v _π соотношением:

= (jω (Cπ + Cμ) + 1 / rπ) vπ . {\ displaystyle i_ {s} = \ left (j \ omega (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) + 1 / r_ {\pi }\right)v_{\pi }\ .}

Коэффициент усиления по току соответственно:

icis=gm−jωCμjω(Cπ+Cμ)+1/rπ=gmrπ−jωCμrπ1+jω(Cπ+Cμ)rπ .{\displaystyle {\frac {i_{c}}{i_{s}}}= {\ frac {g_ {m} -j \ omega C _ {\ mu}} {j \ omega (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) + 1 / r _ {\ pi}}} = {\ frac { g_{m}r_{\pi}-j\omega C_{\mu}r_{\pi}}{1+j\omega (C_{\pi}+C_{\mu})r_{\pi}}} \ . }

Если мы вызовем отношение:

gmrπ = ICVth VthIB = ICIB = β , {\ displaystyle g_ {m} r _ {\ pi} = {\ frac {I_ {C}} {V_ {th}}} \ {\ frac {V_ {th} }{I_{B}}}={\frac {I_{C}}{I_{B}}}=\beta \ ,}

с V _th тепловое напряжение и I _C , I _B токи постоянного тока коллектора и базы, тогда:

icis = β−jωCμrπ1 + jω(Cπ + Cμ) rπ , {\ displaystyle {\ frac {i_ {c}} {i_ {s}}} = {\ frac {\ beta -j \ omega C_ {\mu}r_{\pi}}{1+j\omega (C_{\pi}+C_{\mu})r_{\pi}}}\,}

что, естественно, обеспечивает коэффициент усиления транзистора по току нулевой частоты как β . Однако по мере увеличения частоты коэффициент усиления по току падает после прохождения угловой частоты , f > f _C :

fC = 12π (Cπ + Cμ) rπ . {\ displaystyle f_ {C} = {\ frac {1} {2 \ pi (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) r _ {\ pi}} }\ .}

Частота перехода , обозначенная как f _T , определяется как частота, на которой усиление тока спадает до значения, равного единице:

|icis|=1=|β1+jfT/fC| , {\ displaystyle \ left | {\ frac {i_ {c}} {i_ {s}}} \ right | = 1 = \ left | {\ frac {\ beta} {1 + jf_ {T}/f_ {C }}}\право|\ ,}

или

fT ≈ βfC = gm2π (Cπ + Cμ) . {\ displaystyle f_ {T} \ приблизительно \ beta f_ {C} = {\ frac {g_ {m}} {2 \ pi (C _ {\ pi} + C_{\mu })}}\ .}

В активном режиме емкость C _мк представляет собой емкость обеднения CB-перехода, который представляет собой слаболегированный переход с большой шириной обедненного слоя. Таким образом, эта емкость мала, скажем, 2 пФ. С другой стороны, C _π включает сильнолегированную емкость EB-перехода и очень большую диффузионную емкость из-за инжектированных электронов и обычно составляет несколько сотен пФ. Это является оправданием довольно бесцеремонного игнорирования частотной зависимости в числителе jωC _μ r _π . Зависимость от частоты в знаменателе, зависящая от C _π r _π , будет доминировать над любым влиянием числителя, введенного C _μ r _π .

Как крутизна g _m , так и диффузионная емкость в C _π зависят от плотности тока коллектора, поэтому ожидается, что частота перехода будет меняться в зависимости от тока, и наблюдается зависимость тока, как показано на рисунке. Первоначально f _T увеличивается из-за преобладания g _m , но в конечном итоге ожидается насыщение, поскольку знаменатель и числитель становятся пропорциональными плотности тока. Однако на самом деле при высокой плотности тока частота перехода начинает уменьшаться, что является одним из многих неидеальных высокие эффекты впрыска .

Ссылки

1. ↑
   В. С. Шокли (1976). «Путь к концепции переходного транзистора». IEEE Trans Electron Dev. ED-23 : стр. 597 и далее .
2. ↑
   М. Риордан и Л. Ходдесон (1997). Хрустальный огонь: рождение века информации . WW Norton & Company. ISBN 0393041247.
3. ↑
   CK Maiti, GA Armstrong (2001). «Принцип SiGe HBT», Применение кремниево-германиевых гетероструктур . CRC Press, стр. 77 и далее . ISBN 0750307234.
4. ↑
   AG Baca и др., (2000). «Постоянный ток и микроволновые характеристики 100-вольтовых GaAs/AlGaAs HBT», Составные полупроводниковые силовые транзисторы II: материалы тридцать второго международного симпозиума . электрохимическое общество; Отдел электроники, с. 131. ISBN 1566772664.
5. ↑
   Назван в честь Германа К. Гаммеля из Bell Laboratories, пионера численного моделирования биполярного транзистора и автора модели Гуммеля-Пуна, широко используемой для биполярного транзистора.
6. ↑
   Ранний эффект назван в честь Джеймса М. Эрли, одного из ученых Bell Laboratories, участвовавших в разработке биполярного транзистора.
7. ↑
   Ричард С. Джагер (1997). «§5.12: Ранний эффект и раннее напряжение», Проектирование микроэлектронной схемы . McGraw-Hill, 196 ff . ISBN 0-07-114386-6.  Эти уравнения не включают такие вещи, как текущая зависимость β , и предназначены только для качественного анализа.
8. ↑
   На основе рисунка 5.5 в Джон Д. Кресслер, Гофу Ню (2003). Кремний-германиевые биполярные транзисторы с гетеропереходом . Артех Хаус, с. 148. ISBN 1580533612.

Как это работает » Заметки по электронике

Описание того, что такое транзистор, как работает биполярный транзистор, а также сведения о транзисторах NPN и PNP.

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

Транзисторы лежат в основе современной электронной техники. Разработка биполярного транзистора или транзистора с биполярным переходом, BJT, привела к многим изменениям в мире.

Внедрение биполярного транзистора сделало возможным использование многих технологий, которые сегодня считаются само собой разумеющимися: все, от портативных транзисторных радиоприемников до мобильных телефонов и компьютеров, дистанционное управление, функциональность, которую мы считаем само собой разумеющейся в современных автомобилях, и т. д. . . . Все это и многое другое стало возможным благодаря изобретению транзистора.

Сегодня биполярные транзисторы доступны во многих формах. Существует базовый транзистор в виде выводов или он доступен в виде транзистора для поверхностного монтажа. Но транзисторы также широко используются в интегральных схемах. Большинство цифровых ИС используют технологию полевого эффекта, но многие аналоговые ИС используют биполярную технологию для обеспечения требуемой производительности.

Вместе со своими полевыми транзисторами, FET, родственниками, которые используют совершенно другой принцип, биполярные транзисторы составляют основу большей части современного электронного оборудования, либо в виде дискретных устройств, либо в составе интегральных схем.

Выбор транзистора с пластиковыми выводами

Разработка транзистора

Полупроводниковая технология хорошо зарекомендовала себя, но она используется уже более ста лет. Первые полупроводниковые эффекты были замечены еще в начале 1900-х годов, когда использовались первые беспроводные или радиоприемники. В качестве детекторов исследовались различные идеи.

Технология термоэмиссионного клапана или вакуумной трубки была представлена ​​в 1904 году, но эти устройства были дорогими, а также требовали питания от батареи. Вскоре после этого был обнаружен детектор Cat’s Whisker. Он состоял из тонкой проволоки, помещенной на один из нескольких типов материалов. Эти материалы сегодня известны как полупроводники и составляют основу современной электронной техники.

Заметка об истории транзисторов:

Биполярный транзистор был изобретен тремя исследователями, работающими в Bell Laboratories: Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли. Они работали над идеей использования эффекта поля для управления током в полупроводнике, но не смогли воплотить эту идею в жизнь. Они обратили внимание на другую возможность и сделали трехконтактное устройство, используя два близко расположенных точечных контакта на германиевой пластине. Эта идея сработала, и они смогли продемонстрировать, что в конце 1949.

Подробнее о Биполярный транзистор История

Старый биполярный транзистор OC71

После того, как основная идея была разработана, потребовалось некоторое время, прежде чем полупроводниковая технология была принята, но как только это произошло, она получила широкое распространение, как мы знаем сегодня.

Что такое биполярный транзистор

стоит в нескольких словах определить, что такое биполярный транзистор:

Определение биполярного транзистора:

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей P-типа или N-типа — область одного типа расположена между областями другого. Транзистор в основном усиливает ток, но его можно включать в схемы, предназначенные для усиления напряжения или мощности.

Биполярный транзистор необходимо отличать от полевого транзистора. Биполярный переходной транзистор, BJT, получил свое название из-за того, что в своей работе он использует как дырки, так и электроны. Полевые транзисторы представляют собой униполярные устройства, использующие один или любой тип носителей заряда.

Биполярный транзистор или, точнее, транзистор с биполярным переходом, BJT, имеет два диодных перехода PN, которые расположены спиной к спине. Биполярный транзистор имеет три вывода: эмиттер, базу и коллектор.

Транзистор усиливает ток — биполярные транзисторы являются токовыми устройствами, в отличие от электронных ламп с термоэмиссионными клапанами и полевыми транзисторами, которые являются устройствами напряжения. Ток, протекающий в базовой цепи, влияет на ток, протекающий между коллектором и эмиттером.

Чтение . . . . более глубокая теория биполярного переходного транзистора.

Примечание по конструкции схемы транзистора:

Транзистор представляет собой устройство с тремя выводами, обеспечивающее усиление по току. Есть три конфигурации, которые могут быть использованы для транзистора: с общим эмиттером, общим коллектором и общей базой. Каждый из них имеет различные характеристики сети, и, разрабатывая схему вокруг одной из этих конфигураций, можно достичь требуемых характеристик.

Подробнее о Схема биполярного транзистора

Базовая структура транзистора

Транзистор представляет собой трехвыводное устройство и состоит из трех отдельных слоев. Два из них легированы для получения полупроводника одного типа, а два — противоположного типа, то есть два могут быть n-типа и один p-типа, или два могут быть p-типа и один может быть n-типа. устроен так, что два одинаковых слоя транзистора находятся между слоями противоположного типа. В результате эти полупроводниковые устройства обозначаются как PNP-транзисторы или NPN-транзисторы в зависимости от способа их изготовления.

Базовая структура и символы схемы для транзисторов NPN и PNP

Названия трех электродов широко используются, но их значения не всегда понятны:

• База: База транзистора получила свое название из-за того, что в ранних транзисторах этот электрод служил базой для всего устройства. Самые ранние транзисторы с точечным контактом имели два точечных контакта, размещенных на основном материале. Этот базовый материал сформировал базовое соединение. . . и название прижилось.
• Излучатель:   Излучатель получил свое название из-за того, что он излучает носители заряда.
• Коллектор:   Коллектор получил свое название из-за того, что он собирает носители заряда.

Для работы транзистора необходимо, чтобы базовая область была очень тонкой. В современных транзисторах база обычно может быть всего около 1 мкм в поперечнике. Именно то, что базовая область транзистора тонкая, является залогом работы устройства

Чтение . . . . более подробные сведения о структуре и изготовлении транзисторов.

Как работает транзистор: основы

Транзистор можно рассматривать как два PN-перехода, расположенных спина к спине. Один из них, а именно переход базы-эмиттера, смещен в прямом направлении, а другой, переход базы-коллектора, смещен в обратном направлении. Обнаружено, что при протекании тока в переходе база-эмиттер больший ток протекает в цепи коллектора, даже если переход база-коллектор смещен в обратном направлении.

Для наглядности взят пример транзистора NPN. Те же рассуждения можно использовать для устройства PNP, за исключением того, что дырки являются основными носителями вместо электронов.

Когда ток протекает через переход база-эмиттер, электроны покидают эмиттер и перетекают в базу. Однако легирование в этой области остается низким, и для рекомбинации доступно сравнительно немного дырок. В результате большая часть электронов может течь прямо через базовую область в коллекторную область, притягиваемые положительным потенциалом.

Базовая работа транзистора
Работа показана для транзистора NPN

Чтение . . . . более глубокая теория биполярного переходного транзистора.

Только небольшая часть электронов из эмиттера соединяется с дырками в области базы, вызывая ток в цепи база-эмиттер. Это означает, что ток коллектора намного выше.

Отношение между током коллектора и током базы обозначено греческим символом Β. Для большинства маломощных транзисторов это значение может быть в пределах от 50 до 500. В некоторых случаях оно может быть даже выше. Это означает, что ток коллектора обычно в 50-500 раз превышает ток базы. Для транзистора большой мощности значение В несколько меньше: 20 — довольно типичное значение.

Чтение . . . . более глубокая теория биполярного переходного транзистора.

Почему транзисторы NPN используются чаще, чем транзисторы PNP

При просмотре схем, а также в таблицах данных и т. д. видно, что NPN-транзисторы гораздо более популярны, чем PNP-транзисторы.

На это есть несколько причин:

• Мобильность носителей:   NPN-транзисторы используют электроны в качестве основных носителей, а не дырки, которые являются основными носителями в PNP-транзисторах. Поскольку дырки гораздо легче перемещаются в кристаллической решетке, чем электроны, т. е. они обладают более высокой подвижностью, они могут работать быстрее и обеспечивать гораздо более высокий уровень производительности.
• Отрицательное заземление:   С годами отрицательное заземление стало стандартным, например, в автомобильных транспортных средствах и т. д., а полярность NPN-транзисторов означает, что базовые конфигурации транзисторов работают с отрицательным заземлением.
• Затраты на производство: Производство полупроводниковых компонентов на основе кремния наиболее экономично с использованием больших кремниевых пластин N-типа. В то время как изготовление PNP-транзисторов возможно, требуется в 3 раза большая площадь поверхности пластины, а это значительно увеличивает затраты. Поскольку стоимость пластин составляет основную часть общей стоимости компонентов, это значительно увеличило производственные затраты на PNP-транзисторы.

Биполярные транзисторы, BJT, были первой формой транзистора, который был изобретен, и они до сих пор очень широко используются во многих областях. Они просты в использовании, дешевы и имеют характеристики, отвечающие большинству требований. Они идеально подходят для многих схем, хотя, естественно, характеристики биполярного транзистора должны соответствовать характеристикам схемы.