Биполярный переходной транзистор

редактировать

	NPN
	PNP

Условные обозначения схемы BJT

Типовые отдельные корпуса BJT. Сверху вниз: ТО-3, ТО-126, ТО-92, СОТ-23

A транзистор с биполярным переходом ( BJT ) представляет собой тип транзистора, который использует как электроны, так и электронные дырки в качестве носителей заряда. Напротив, униполярный транзистор, такой как полевой транзистор, использует только один вид носителя заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, подаваемому на один из его выводов, управлять большим током, протекающим между двумя другими выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению.

BJT используют два перехода между двумя полупроводниками типа, n-типом и p-типом, которые включают себя в области монокристалле материала. Переходы могут быть выполнены способами, такими как изменение легирования полупроводникового материала по мере его выращивания, путем осаждения металлических таблеток для образования переходов из материалов или таких методов, как диффузия n-типа и легирующие вещества p-типа в кристалл. Превосходная предсказуемость и производительность переходных транзисторов вскоре вытеснили исходный точечный транзистор . Рассеянные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральных схем для аналоговых и цифровых функций. Сотни биполярных переходных транзисторов могут быть изготовлены по одной схеме по очень низкой цене.

Биполярные транзисторные интегральные схемы были активными устройствами поколения мэйнфреймов и мини-компьютеров, но в большинстве компьютерных систем сейчас используются интегральные схемы, основанные на полевых транзисторах. Биполярные транзисторы до сих пор используются для усиления сигналов, коммутации и цифровых схем. Специализированные типы используются для высоковольтных переключателей, радиочастотных усилителей или для коммутации сильных токов.

Содержание

1 Условные обозначения направления тока
2 Функция
- 2.1 Управление напряжением, током и зарядом
- 2.2 Задержка включения, выключения и сохранения
- 2.3 Характеристики транзистора: альфа (α) и бета (β)
3 Структура
4 Области применения
- 4.1 Активные транзисторы в схемах
5 История
- 5.1 Германиевые транзисторы
- 5.2 Ранние технологии производства
6 Теория и моделирование
- 6.1 Модели с большим сигналом
  - 6.1.1 Модель Эберса - Молла
    - 6.1.1.1 Модуляция ширины базы
    - 6.1.1.2 Пробивной
  - 6.1.2 Заряд Гаммела - Пуна-модель управления
- 6.2 Модели слабого сигнала
  - 6.2.1 Модель Hybrid-pi
  - 6.2.2 Модель h-параметры
    - 6.2.2.1 Этимология h FE
- 6.3 Отраслевые модели
7 Приложения
- 7.1 Высокоскоростная цифровая логика
- 7.2 Усилители
- 7.3 Датчики температуры
- 7.4 Логарифмические преобразователи
8 Уязвимости
9 См. Также
10 Примечания
11 Ссылки
12 Внешние ссылки

Условные обозначения текущего направления

По соглашению, направление тока на диаграммах показано как направление движения положительного заряда. Это называется обычным током. Однако ток во многих металлических проводниках возникает из-за потока электронов. Положите электроны не отрицательный заряд, они движутся в противоположном обычном току. С другой стороны, внутри биполярного транзистора токи могут состоять как из положительно заряженных дырок, так и из отрицательно заряженных электронов. В этой статье стрелки тока показаны в обычном направлении, но метки движения дырок и электронов показывают их фактическое направление внутри транзистора. Стрелка на символе биполярныхисторов указывает на PN-переход между базой и эмиттером и указывает направление, в котором проходит обычный ток.

Функция

BJT существуют как типы PNP и NPN на основе типов легирования трех основных концевых областей. Транзистор NPN содержит два полупроводниковых <перехода146>, которые разделяют тонкую область, легированную p-примесью, а транзистор PNP содержит два полупроводниковых перехода, которые имеют общую тонкую область, легированную n-примесью. N-тип означает легирование примесями, которые обеспечивают подвижные электроны, а P-тип означает легирование примесями, которые обеспечивают дырки, которые легко принимают электроны.

NPN BJT с прямым смещением E - B переходом и обратным смещением B - C переходом

Поток заряда в BJT обусловлен диффузией носителей заряда через стык между двумя областями с разной концентрацией носителей заряда. Области BJT называются эмиттером, базой и коллектором. Дискретный транзистор имеет три вывода для подключения к этому областям. Обычно эмиттерная область сильно легирована по двум другим слоям, а коллектор легирован слабее, чем база (легирование коллектора обычно в десять раз легче, чем легирование базы). По замыслу, большая часть тока коллектора БЮТ обусловлена потоком носителей заряда (электронов или дырок), инжектированных из легированного сильно эмиттера в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому BJT классифицируют как устройства меньшинства.

При типичной работе переход база-эмиттер имеет прямое смещение, что означает, что сторона перехода, легированная p-примесью, имеет более положительный потенциал, чем n-легированная сторона, а переход база-коллектор имеет обратное смещение. Когда прямое смещение прикладывается к переходу база-эмиттер, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области n-легированного эмиттера нарушается. Это позволяет термически возбужденным электронам (в NPN; дыркам в PNP) инжектировать из эмиттера в базовую область. Эти электроны диффундируют через базу из области высокой концентрации эмиттера в сторону области концентрации около коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями, потому что база легирована p-типом, что делает дырки основным носителем в базе. В устройстве PNP происходит аналогичное поведение, но с дырками в качестве основных носителей тока.

Чтобы носители могли диффундировать по ней за меньшее время, чем меньшая, чтобы носители могли диффундировать по ней за меньшее время, чем меньшая, перед тем, как достичь коллектор-базу, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой часть полупроводников. -срок службы носителя. Наличие слаболегированного основания обеспечивает низкие скорости рекомбинации. В структуре, толщина основания должна быть намного меньше диффузионная длина электронов. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но носители, которые вводятся в базу и диффундируют, достигая обедненной области коллектор-база, уносятся в коллектор электрическим полем. в области истощения. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер - вот что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов с противоположным смещением, соединенных последовательно.

Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (контроль тока) или напряжением база-эмиттер (напряжение контроль). Эти представления связаны между собой источником тока и напряжения перехода база-эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики для перехода p - n (диод).

Объяснение для коллекторного тока - концентрации неосновных носителей в типе области. Из-за низкоуровневого введения (в котором намного меньше избыточных носителей, чем нормальных носителей) скорости амбиполярного транспорта (при которых избыточные основные и неосновные носители текут с одинаковой скоростью). носителей заряда.

Подробные модели транзисторов действия транзисторов, такие как модель Гаммеля - Пуна, явно учитывают этот заряд, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в области основной области расходом фотонов, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от функции в данной рекомбинации. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на выводах, при проектировании и анализированной схеме обычно используются режимы управленияом и напряжением.

В конструкции аналоговой схемы иногда используется представление управления током, как оно используется линейно. То есть ток коллектора примерно в $β F {\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ ${\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ раз больше базового тока. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение-эмиттер постоянно, а ток коллектора в β раз больше тока базы. Однако для точного и надежного проектирования цепей BJT требуется модель управления напряжением (например, Ebers - Moll ). Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса - Молла, проектирование для таких схем, как Дифференциальные усилители снова становятся в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлением напряжением. Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная кривая ВАХ является ключевым моментом в работе, транзисторы обычно моделируются как источники тока с регулируемым напряжением, крутизна пропорциональна их току коллектора. Как правило, анализ схемы на уровне транзистора выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговой схемы, поэтому сложная математическая модель обычно имеет большого значения для разработчика, но упрощенное представление характеристик позволяет проектам быть созданной в соответствии с алгоритмом.

Задержка включения, выключения и сохранения

Биполярные транзисторы, и особенно силовые транзисторы, имеют длительное время хранения базы, когда они находятся в состоянии насыщения; базовое хранилище ограничивает время выключения при переключении приложений. Зажим Бейкера может предотвратить сильное насыщение транзистора, снижает количество заряда, накопленного в базе, таким образом, улучшает время переключения.

Характеристики транзистора: альфа (α) и бета (β)

Доля носителей, которые могут пересечь базу и достичь коллектора, является мерой эффективности BJT. Сильное легирование эмиттерной области вызывает гораздо большее количество электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Тонкая и легкая базовая область означает, что большинство неосновных носителей, которые диффундируют в базу, будут диффундировать к коллектору, а не рекомбинировать.

Коэффициент усиления по току с общим эмиттером представлен β F или h-параметром hFE; это отношение к постоянному току коллектора к постоянному току базы в прямой активной области. Обычно оно больше 50 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных приложений. И эффективность инжекции, и рекомбинация в базе уменьшают усиление BJT.

Другой полезной характеристикой является коэффициент усиления по току с общей базой, α F. Коэффициент усиления по току с общей базой коэффициент коэффициента усиления по току от эмиттера к коллектору в активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,980 и 0,998. Это единицы из-за рекомбинации носителей меньше заряда, когда они пересекают базовую область.

Альфа и бета связаны тождествами:

α F = МКПП, β F = ICIB, α F = β F 1 + β F ⟺ β F = α F 1 - α F. {\ displaystyle { \ begin {align} \ alpha _ {\ text {F}} = {\ frac {I _ {\ text {C}}} {I _ {\ text {E}}}}, \ beta _ {\ text {F}} = {\ frac {I _ {\ text {C}}} {I _ {\ text {B}}}}, \\\ alpha _ {\ text {F}} = {\ frac {\ beta _ {\ text {F}}} {1+ \ beta _ {\ text {F}}}} \ iff \ beta _ {\ text {F}} = {\ frac {\ alpha _ {\ text {F}}} {1- \ alpha _ {\ text {F}}}}. \ end {align}}}

{\ displaystyle {\ begin {align} \ alpha _ {\ text {F}} = {\ frac {I _ { \ text {C}}} {I _ {\ text {E}}}}, \ beta _ {\ text {F}} = {\ frac {I _ {\ text {C}}} {I _ {\ text {B}}}}, \\\ alpha _ {\ text {F}} = {\ frac {\ beta _ {\ text {F}}} {1+ \ beta _ {\ text {F }}}} \ iff \ beta _ {\ text {F}} = {\ frac {\ alpha _ {\ text {F}}} {1- \ alpha _ {\ text {F}}}}. \ end {align}}}

Бета - удобный показатель качества для описания характеристик биполярного транзистора, но это не фундаментальное физическое свойство устройства. Биполярные транзисторы можно рассматривать как устройство с управлением по напряжению (в основном ток коллектора контролируется напряжением базы-эмиттер; ток базы можно рассматривать как дефект и контролируется характеристиками перехода база-эмиттер и рекомбинация в базе). Во многих основных положениях, что бета достаточно высока, так что базовый ток незначительное влияние на схему. В некоторых случаях (как правило, в схемах переключения) имеет достаточный базовый ток, который может иметь конкретное устройство, по-прежнему позволяет протекать желаемому току коллектора.

Структура

Упрощенное поперечное сечение планарного NPN-транзистора с биполярным переходом

BJT состоит из трех легированных областей полупроводников: области эмиттера, области базы и области коллектора.. Эти области защиты к p-типу, n-типу и p-типу соответственно в транзисторе PNP и n-типу, p-типу и n-типу соответственно в NPN-транзисторе. Полупроводниковая область подключена к клемме, каждая соответствующая информация: эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).

База физически изготовлена между эмиттером и коллектором и изготовлена из легированного материала с высоким сопротивлением. Коллектор окружает эмиттерную область, что делает практически невозможным выход электронов, инжектированных в базовую область, без их сбора, что делает результирующее значение α очень близким к единице и таким образом, дает транзистору большое β. Поперечное сечение BJT показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Транзистор с биполярным переходом, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным использованием. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого режима и начать работать в обратном режиме. В режиме внутренней системы внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения α и β в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто α обратной моды ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с факторами легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение с ущерба до того, как разомкнется переход коллектор-база. Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.

Кристалл высокочастотного NPN-транзистора KSY34. Соединительные провода соединяются с базой и эмиттером

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, иногда используемые в процессах CMOS, иногда спроектированы симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы.

Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока между эмиттером и коллектором. Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как управляемые напряжением источники тока, но их проще охарактеризовать как источники тока с управляемым током или усилители тока из-за низкого импеданса в базе.

Ранние транзисторы сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния. Значительное меньшинство теперь также производится из арсенида галлия, особенно для применений с очень высокой скоростью (см. HBT ниже).

. биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) является усовершенствованием BJT, который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых схемах, в основном в системах РФ.

Символ для биполярного транзистора NPN с направлением тока

. Два обычно используются HBT - кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя их множество. полупроводников могут быть использованы для структуры HBT. Структуры области HBT обычно выращиваются с помощью методов эпитаксии, таких как MOCVD и MBE.

Рабочие

Тип соединения.	Применяется. напряжение	Смещение перехода		Режим
Тип соединения.	Применяется. напряжение	BE	BC	Режим
NPN	E < B < C	Вперед	Назад	Вперед -активный
	E < B>C	Вперед	Вперед	Насыщенность
	E>B < C	Обратный	Обратный	Отсечка
	E>B>C	Назад	Вперед	Обратно-активный
PNP	E < B < C	Назад	Вперед	Реверс-активный
	E < B>C	Реверс	Реверс	Отсечка
	E>B < C	Вперед	Вперед	Насыщенность
	E>B>C	Вперед	Обратный	Активный в прямом направлении

Биполярные транзисторы имеют четыре различные области работы, определяемые смещениями перехода BJT.

Активный в прямом направлении (или просто активный): Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Большинство биполярных транзисторов предназначены для обеспечения наибольшего усиления по току с общим эмиттером β F в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер примерно пропорционален базовому току, но во много раз больше при небольших изменениях базового тока.
Обратно-активный (или обратно-активный) или инвертированный): Путем изменения условий смещения в прямой активной области биполярный транзистор переходит в обратно-активный режим. В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов предназначены для максимального увеличения коэффициента усиления по току в прямом активном режиме, β F в инвертированном режиме в несколько раз меньше (в 2–3 раза для обычного германиевого транзистора). Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для отказоустойчивых условий и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
Насыщение: Когда оба перехода смещены в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и способствует высокоточной проводимости от эмиттера к коллектору (или в другом направлении в случае NPN, когда отрицательно заряженные носители текут от эмиттера к коллектору). Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
Отсечка: В отсечке присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Очень маленький ток, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.
Лавина область

Входные характеристики

Выходные характеристики Входные и выходные характеристики для общего Усилитель на кремниевом базовом транзисторе.

Режимы работы можно описать в терминах приложенных напряжений (это описание относится к транзисторам NPN; полярности обратные для транзисторов PNP):

Прямо-активный: Базовый выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы на $β F {\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ ${\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ ).
Насыщенность: База выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
Отсечка: База ниже эмиттера, но коллектор выше базы. Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток от коллектора к эмиттеру.
Обратно-активный: База ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратные условия Постоянный ток проходит через транзистор.

Что касается смещения перехода: (переход база-коллектор с обратным смещением означает V bc< 0 for NPN, opposite for PNP)

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются для небольших (менее нескольких сотен) милливольт) смещения. Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, поскольку базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; тем не менее прямое смещение достаточно близко к нулю, поэтому ток практически не протекает, поэтому этот конец прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.

Активные транзисторы в схемах

Устройство и применение NPN-транзистора. Стрелка на схеме.

На схеме схематично показан NPN-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. (Такое же описание применимо к транзистору PNP с обратными направлениями тока и приложенного напряжения.) Это приложенное напряжение заставляет нижний переход P-N становиться смещенным вперед, позволяя потоку электронов от эмиттера к базе. В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллектором (вызванное V CE), заставит большинство этих электронов пересечь верхний PN переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора I C. Остальные электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы, I B. Как показано на диаграмме, ток эмиттера I E представляет собой полный ток транзистора, который является суммой токов на других клеммах (т. Е. I E = I В + I С).

На схеме стрелки, представляющие ток, указывают на направление обычного тока - поток электронов идет в направлении, противоположном стрелкам, потому что электроны несут отрицательный электрический заряд. В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется усилением постоянного тока. Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения (например, см. операционный усилитель ). Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как $h FE {\ displaystyle h _ {\ text {FE}}}$ $h _ {\ text {FE}}$ , а значение этого усиления для слабых сигналов обозначается как $час fe {\ displaystyle h _ {\ text {fe}}}$ $h _ {\ text {fe}}$ . То есть, когда происходит небольшое изменение токов и прошло достаточно времени, чтобы новое состояние достигло устойчивого состояния $h fe {\ displaystyle h _ {\ text {fe}}}$ $h _ {\ text {fe}}$ is отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы. Символ $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ используется как для $h FE {\ displaystyle h _ {\ text {FE}}}$ $h _ {\ text {FE}}$ , и для $h. fe {\ displaystyle h _ {\ text {fe}}}$ $h _ {\ text {fe}}$ .

Ток эмиттера связан с $V BE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}}$ $V _ {\ text {BE }}$ экспоненциально. При комнатной температуре увеличение $V BE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}}$ $V _ {\ text {BE }}$ примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз. Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они меняются одинаково.

История

Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтер Браттейн под руководством Уильяма Шокли. Версия с переходом, известная как биполярный переходный транзистор (BJT), изобретенная Шокли в 1948 году, в течение трех десятилетий была предпочтительным устройством при разработке дискретных и интегральных схем. В настоящее время использование BJT снизилось в пользу технологии CMOS при разработке цифровых интегральных схем. Побочной БПТ низкой производительности, присущие КМОП-микросхемы, однако, часто используются в качестве зонного опорного напряжения, кремниевой датчика температуры запрещенной зоны и ручки электростатического разряда.

Германия транзисторы

Транзистор германиевый был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, но имеет большую тенденцию к тепловому неуправляемому выходу.

Ранние методы производства

Различные методы производства Были разработаны биполярные транзисторы.

Транзистор с точечным контактом - первый транзистор, когда-либо созданный (декабрь 1947 г.), биполярный транзистор, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
- Точечно-контактный транзистор тетрод - Точечно-контактный транзистор, имеющий два эмиттера. В середине 1950-х годов он устарел.
Переходные транзисторы
- Переходный транзистор - первый изготовленный биполярный переходный транзистор. Изобретен Уильямом Шокли в Bell Labs 23 июня 1948 года. Патент подан 26 июня 1948 года.
- Транзистор с переходом из сплава - сплавленные шарики эмиттера и коллектора к базе. Разработан в General Electric и RCA в 1951 году.
  - Микролегированный транзистор (MAT) - быстродействующий тип легкосплавного транзистора. Разработан в Philco.
  - Микролегированный диффузионный транзистор (MADT) - быстродействующий тип сплавного транзистора, более быстрый, чем MAT, транзистор с диффузной базой. Разработан в Philco.
  - Постсплавный диффузионный транзистор (PADT) - быстродействующий тип легированного переходного транзистора, более быстрый, чем MAT, транзистор с диффузной базой. Разработан в Philips.
- Тетрод-транзистор - быстродействующий вариант транзистора с выращиванием или сплавом с двумя подключениями к базе.
- Транзистор с поверхностным барьером - быстродействующий металл- барьерный переходный транзистор. Разработан в Philco в 1953 году.
- Дрейфовый транзистор - быстродействующий биполярный переходной транзистор. Изобретен Гербертом Кремером в Центральном бюро телекоммуникационных технологий Немецкой почтовой службы в 1953 году.
- Spacistor - около 1957 года.
- Диффузионный транзистор - биполярный переход современного типа транзистор. Прототипы, разработанные в Bell Labs в 1954 году.
  - Транзистор с диффузионной базой - первая реализация диффузионного транзистора.
  - Меза-транзистор - разработан в Texas Instruments в 1957 году.
  - Планарный транзистор - транзистор с биполярным переходом, который сделал возможным массовое производство монолитных интегральных схем. Разработан Джин Хорни в Fairchild в 1959 году.
- Эпитаксиальный транзистор - транзистор с биполярным переходом, изготовленный с использованием осаждения из паровой фазы. См. эпитаксия. Позволяет очень точно контролировать уровни и градиенты легирования.

Теория и моделирование

Полосная диаграмма для NPN-транзистора в состоянии равновесия

Полосная диаграмма для NPN-транзистора в активном режиме, показывающая инжекцию электронов из эмиттера к базе, и их выброс в коллектор

Транзисторы можно представить себе как два диода (P – N-переходы ), имеющих общую область, через которую могут проходить неосновные носители. PNP BJT будет работать как два диода с общей катодной областью N-типа, а NPN как два диода с общей анодной областью P-типа. Соединение двух диодов с помощью проводов не приведет к образованию транзистора, поскольку неосновные носители не смогут попасть от одного P – N перехода к другому через провод.

Оба типа BJT работают, позволяя небольшому входному току на базу управлять усиленным выходом коллектора. В результате транзистор является хорошим переключателем, управляемым его базовым входом. BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может умножить слабый входной сигнал примерно в 100 раз по сравнению с его исходной силой. Сети транзисторов используются для создания мощных усилителей с множеством различных применений. В приведенном ниже обсуждении основное внимание уделяется биполярному транзистору NPN. В NPN-транзисторе в так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер $V BE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}}$ $V _ {\ text {BE }}$ и напряжение коллектор-база $V CB { \ displaystyle V _ {\ text {CB}}}$ $V _ {\ text {CB}}$ положительны, смещают прямое смещение перехода эмиттер-база и обратное смещение перехода коллектор-база. В активном режиме работы электроны инжектируются из области эмиттера n-типа с прямым смещением в базу p-типа, где они диффундируют как неосновные носители к коллектору n-типа с обратным смещением и уносятся электрическим полем в обратносмещенный переход коллектор – база. Для рисунка, описывающего прямое и обратное смещение, см. полупроводниковые диоды.

Модели с большим сигналом

В 1954 году Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель транзисторных токов:

модель Эберса – Молла

модель Эберса – Молла для NPN-транзистора. I B, I C и I E - токи базы, коллектора и эмиттера; I CD и I ED - токи коллекторного и эмиттерного диодов; α F и α R - коэффициенты усиления прямого и обратного тока с общей базой.

Модель Эберса – Молла для транзистора PNP

Приближенная модель Эберса – Молла для NPN транзистор в прямом активном режиме. Коллекторный диод имеет обратное смещение, поэтому I CD практически равен нулю. Большая часть тока эмиттерного диода (α F составляет почти 1) отводится от коллектора, обеспечивая усиление тока базы.

Постоянный ток эмиттера и коллектора в активном режиме хорошо моделируется с помощью приближение к модели Эберса – Молла:

IE = I ES (e V BE VT - 1) IC = α FIEIB = (1 - α F) IE {\ displaystyle {\ begin {align} I _ {\ text {E }} = I _ {\ text {ES}} \ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BE}}} {V _ {\ text {T}}}} - 1 \ right) \\ I_ { \ text {C}} = \ alpha _ {\ text {F}} I _ {\ text {E}} \\ I _ {\ text {B}} = \ left (1- \ alpha _ {\ text { F}} \ right) I _ {\ text {E}} \ end {align}}}

{\ displaystyle {\ begin {align} I _ {\ text {E}} = I _ {\ text {ES}} \ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BE}}} {V _ {\ te xt {T}}}} - 1 \ right) \\ I _ {\ text {C}} = \ alpha _ {\ text {F }} I _ {\ text {E}} \\ I _ {\ text {B}} = \ left (1- \ alpha _ { \ text {F}} \ right) I _ {\ text {E}} \ end {align}}}

Базовый внутренний ток в основном обусловлен диффузией (см. закон Фика ) и

J n ( база) = 1 Вт q D nnboe V EB VT {\ displaystyle J_ {n \, ({\ text {base}})} = {\ frac {1} {W}} qD_ {n} n_ {bo} e ^ {\ frac {V _ {\ text {EB}}} {V _ {\ text {T}}}}}

{\ displaystyle J_ {n \, ({\ text {base}})} = {\ frac {1} {W}} qD_ {n} n_ {bo } e ^ {\ frac {V _ {\ text {EB}}} {V _ {\ text {T}}}}}

где

$VT {\ displaystyle V _ {\ text {T}}}$ $V _ {\ text {T}}$ - тепловое напряжение $k T / q {\ displaystyle kT / q}$ $kT / q$ (примерно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
$IE {\ displayst yle I _ {\ text {E}}}$ $I _ {\ text {E}}$ - ток эмиттера
$IC {\ displaystyle I _ {\ text {C}}}$ $I _ {\ text {C}}$ - ток коллектора
$α F {\ displaystyle \ alpha _ {\ text {F}}}$ ${\ displaystyle \ alpha _ {\ text {F }}}$ - коэффициент усиления прямого тока короткого замыкания с общей базой (от 0,98 до 0,998)
$I ES {\ displaystyle I _ {\ text {ES }}}$ $I_ { \ text {ES}}$ - обратный ток насыщения диода база-эмиттер (порядка 10–10 ампер)
$V BE {\ displaystyle V _ {\ text {BE}}}$ $V _ {\ text {BE }}$ - напряжение база-эмиттер.
$D n {\ displaystyle D_ {n}}$ $D_ {n}$ - постоянная диффузии электронов в базе p-типа
W - база width

Параметры $α {\ displaystyle \ alpha}$ $\ alpha$ и forward $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ такие, как описано ранее. Иногда в модель включается обратный знак $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ .

The unapproximated Ebers–Moll equations used to describe the three currents in any operating region are given below. These equations are based on the transport model for a bipolar junction transistor.

i C = I S [ ( e V BE V T − e V BC V T) − 1 β R ( e V BC V T − 1) ] i B = I S [ 1 β F ( e V BE V T − 1) + 1 β R ( e V BC V T − 1) ] i E = I S [ ( e V BE V T − e V BC V T) + 1 β F ( e V BE V T − 1) ] {\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}}

{\ displaystyle {\ begin {align} i_ {\ text {C}} = I _ {\ text {S}} \ left [\ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BE}}}}} {V _ {\ text {T }}}} - e ^ {\ frac {V _ {\ text {BC}}} {V _ {\ text {T}}}} \ right) - {\ frac {1} {\ beta _ {\ text {R}}}} \ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BC}}} {V _ {\ text {T}}}} - 1 \ right) \ right] \\ i _ { \ text {B}} = I _ {\ текст {S}} \ left [{\ frac {1} {\ beta _ { \ text {F}}}} \ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BE}}} {V _ {\ text {T}}}} - 1 \ right) + {\ frac {1 } {\ beta _ {\ text {R}}}} \ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BC}}} {V _ {\ text {T}}}} - 1 \ right) \ right] \\ i _ {\ text {E}} = I _ {\ text {S}} \ left [\ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BE}}} {V _ {\ text {T}}}} - e ^ {\ frac {V _ {\ text {BC}}} {V _ {\ text {T}}}} \ right) + {\ frac {1} {\ beta _ {\ text {F}}}} \ left (e ^ {\ frac {V _ {\ text {BE}}}} {V _ {\ text {T}}}} - 1 \ right) \ right ] \ end {align}}}

where

$i C {\displaystyle i_{\text{C}}}$ ${\ displaystyle i _ { \ text {C}}}$ is the collector current
$i B {\displaystyle i_{\text{B}}}$ ${\ displaystyle i _ {\ text {B}}}$ is the base current
$i E {\displaystyle i_{\text{E}}}$ ${\ displaystyle i _ {\ text {E}}}$ is the emitter current
$β F {\displaystyle \beta _{\text{F}}}$ ${\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ is the forward common emitter current gain (20 to 500)
$β R {\displaystyle \beta _{\text{R}}}$ ${\ displaystyle \ beta _ {\ text {R}} }$ is the reverse common emitter current gain (0 to 20)
$I S {\displaystyle I_{\text{S}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {S}}}$ is the reverse saturation current (on the order of 10 to 10 amperes)
$V T {\displaystyle V_{\text{T}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {T}}}$ is the thermal voltage (approximately 26 mV at 300 K ≈ room temperature).
$V BE {\displaystyle V_{\text{BE}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {BE}}}$ is the base–emitter voltage
$V BC {\displaystyle V_{\text{BC}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {BC}}}$ is the base–collector voltage

Base-width modulation

Top: NPN base width for low collector–base reverse bias; Bottom: narrower NPN base width for large collector–base reverse bias. Hashed regions are depleted regions.

As the collector–base voltage ( $V CB = V CE − V BE {\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {CB}} = V _ {\ text {CE}} - V _ {\ text {BE}}}$ ) varies, the collector–base depletion region varies in size. An increase in the collector–base voltage, for example, causes a greater reverse bias across the collector–base junction, increasing the collector–base depletion region width, and decreasing the width of the base. This variation in base width often is called the Early effect after its discoverer James M. Early.

Narrowing of the base width has two consequences:

There is a l Это дает больше шансов на рекомбинацию в «меньшей» области базы.
Градиент заряда увеличивается на базе, и, следовательно, увеличивается ток неосновных носителей, вводимых через эмиттерный переход.

Оба фактора увеличивают коллектор или «выходной» ток транзистора в ответ на увеличение напряжения коллектор – база.

В прямой активной области эффект Early изменяет ток коллектора ( $i C {\ displaystyle i _ {\ text {C}}}$ ${\ displaystyle i _ { \ text {C}}}$ ) и усиление прямого тока общего эмиттера ( $β F {\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ ${\ displaystyle \ beta _ {\ text {F}}}$ ), как указано:

i C = IS ev BE VT ( 1 + V CE VA) β F = β F 0 (1 + V CB VA) ro = VAIC {\ displaystyle {\ begin {align} i _ {\ text {C}} = I _ {\ text {S}} \, e ^ {\ frac {v _ {\ text {BE}}} {V _ {\ text {T}}}} \ left (1 + {\ frac {V _ {\ text {CE}}} {V _ {\ text {A}}}} \ right) \\\ beta _ {\ text {F}} = \ beta _ {{\ text {F}} 0} \ left (1 + {\ frac {V _ {\ text { CB}}} {V _ {\ text {A}}}} \ right) \\ r _ {\ text {o}} = {\ frac {V _ {\ text {A}}} {I _ {\ text {C }}}} \ end {align}}}

{\ displaystyle {\ begin {align} i _ {\ text {C}} = I _ {\ text {S}} \, e ^ {\ frac {v _ {\ text {BE}}} {V _ {\ text {T}}}} \ left (1 + {\ frac { V_ {\ text {CE}}} {V _ {\ text {A}}}} \ right) \\\ beta _ {\ text {F}} = \ beta _ {{\ text {F}} 0 } \ left (1 + {\ frac {V _ {\ text {CB}}} {V _ {\ text {A}}}} \ right) \\ r _ {\ text {o}} = {\ frac {V _ {\ text {A}}} {I _ {\ text {C}}}} \ end {выравнивается}}}

где:

$V CE {\ displaystyle V _ {\ text {CE}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {CE}}}$ - напряжение коллектор-эмиттер
$VA { \ displaystyle V _ {\ text {A}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {A}}}$ - напряжение ранней стадии (от 15 до 150 В)
$β F 0 {\ displaystyle \ beta _ {{\ text {F}} 0} }$ ${\ displaystyle \ бета _ {\ текст {F}} 0}}$ - усиление прямого тока с общим эмиттером, когда $V CB {\ displaystyle V _ {\ text {CB}}}$ ${\ displaystyle V _ {\ text {CB}}}$ = 0 V
$ro {\ displ aystyle r _ {\ text {o}}}$ ${\ displaystyle r _ {\ text {o}}}$ - это выходное сопротивление
$IC {\ displaystyle I _ {\ text {C}}}$ ${\ displaystyle I _ {\ text {C}}}$ - ток коллектора

Punchthrough

Когда база-сборщик запускает возраст достижения определенного (зависящего от устройства) значения, граница обедненной области базы - коллектор пересекает границу обедненной области базы - эмиттер. В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет всякий выигрыш.

Модель управления зарядом Гаммела - Пуна

Модель Гаммела - Пуна представляет собой подробную модель динамики БЮТ с контролируемым зарядом, которая была принята и другими исследователями для объясняют динамику транзисторов более подробно, чем это обычно делают терминальные модели. Эта модель также включает в себя зависимость значений $β {\ displaystyle \ beta}$ $\ beta$ транзистора от уровней постоянного тока в транзисторе, которые в модели Эберса - Молла независимыми от тока.

Модели слабого сигнала

Модель Hybrid-pi

Модель Hybrid-pi

Модель Hybrid-pi - это популярная модель схемы, используемая для анализа слабый сигнал и поведение переменного тока биполярных переходов и полевых транзисторов . Иногда ее также называют моделью Джаколетто, потому что она была введена Л.Дж. Джаколетто в 1969 году. Модель может быть довольно точной для низкочастотных цепей и может быть адаптирована для высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.

Модель h-программы

Обобщенная модель h-программы NPN BJT.. Замените x на e, bили c для топологий CE, CB и CC

Другая модель, обычно используемая для анализа BJT, - это модель схем h -параметра, связанная с гибридной пи-моделью и y-параметром двухпортовый, но с использованием входного тока и выходного напряжения в независимом качестве, а не входных и выходных напряжений. Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT. Как показано, термин x в модели представляет разные отведения BJT в зависимости от используемой топологии. Для режима с общим эмиттером различные символы принимают значения:

клемма 1, база
клемма 2, коллектор
клемма 3 (общий), эмиттер; давая x равным e
ii, ток базы (i b)
io, ток коллектора (i c)
Vin, напряжение база-эмиттер (V BE)
Vo), напряжение коллектор-эмиттер (V CE)

и h-параметры задаются следующими) образом:

hix= h, т.е. для конфигурации с общим эмиттером, входное сопротивление i n транзистора (соответствует сопротивлению базы r pi).
hrx= h re, отношение обратной передачи r, оно представляет собой зависимость кривой транзистора (вход) I B–VBEот значения (выхода) V CE. Обычно он очень мал и часто игнорируется (принимается
hfx= h fe, «прямое» усиление тока транзистора, иногда обозначаемое как h 21, обозначаемое как h 21. или коэффициент усиления по постоянному току (β DC или коэффициент усиления по постоянному току (β DC) для обозначения большого сигнала (AC) или чаще, с заглавными буквами для «FE» или часто просто β), является одним из основных параметров в таб лицах данных и может быть задан для типичного тока коллектора и напряжения графика ted как функция тока коллектора. См. Ниже.
hox= 1 / ч oe, выходное сопротивление транзистора. Параметр h oe обычно соответствует выходной проводимости биполярного транзистора и должен быть инвертирован, чтобы преобразовать его в импеданс.

Как показывают, h-параметры и, следовательно, означают Параметры переменного тока или анализы. Для условий постоянного тока они указываются в верхнем регистре. Для топологии CE обычно используется приближенная модель h-типа, которая упрощает анализ схемы. Для этого пренебрегают значениями h oe и h re (то есть они устанавливаются на бесконечность и ноль, соответственно). Показанная модель h-параметр подходит для низкочастотного анализа слабого сигнала. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

Этимология h FE
h относится к тому, что он является h-параметром, набором параметров, названных по их происхождению в модели эквивалентной схемы h ybrid (см. Выше). Как и для всех параметров h, выбор строчных или заглавных букв для букв, следующие за «h», имеет значение; строчные буквы означают параметры "слабого сигнала", то есть настройка слабого сигнала взаимосвязи; прописные буквы означают «большой сигнал» или постоянный ток значения, соотношение напряжений или токов. В случае очень часто используемого h FE:
F от F или усиление прямого тока, также называемое усиление по току.
E относится к транзистору, работающему в общем E конфигурация (CE).
Итак, h FE (или hFE) относится к (общему; постоянному) току коллектора, деленному на ток базы, и является безразмерным. Это параметр, который несколько изменяется в зависимости от тока коллектора, но часто приближается к константе; он обычно указывается при типичном токе и напряжении коллектора или отображается в виде графика как функция тока коллектора.

Если бы в нижнем индексе не использовались заглавные буквы, то есть если бы было написано h fe, параметр указывает на усиление тока слабого сигнала (AC ), т. е. крутизна графика зависимости тока коллектора от тока базы в заданной точке, которая часто близка к значению hFE, если частота испытаний не высока.

Отраслевые модели

Модель Gummel - Poon SPICE часто используется, но она имеет несколько ограничений. К ним обращаются в различных более продвинутых моделях: Mextram, VBIC, HICUM, Modella.

Приложения

BJT остается, которое превосходит некоторые приложения, благодаря очень широкому выбору доступных типов BJT, а также из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления по сравнению с MOSFET.

BJT также является выбором для требований аналоговых схем, особенно для очень -высокочастотные приложения, такие как радиочастотные схемы для беспроводных систем.

Высокоскоростная цифровая логика

Эмиттерно-связанная логика (ECL) использует BJT.

Биполярные транзисторы можно комбинировать с полевыми МОП-транзисторами в интегральной схеме, используя процесс изготовления полупроводниковых пластин BiCMOS для создания схем, в которых используются преимущества обоих типов транзисторов.

Усилители

Параметры транзистора α и β характеризуют усиление по току BJT. Именно это усиление позволяет использовать BJT в качестве строительных блоков электронных усилителей. Три основные топологии усилителя BJT:

Температурные датчики

Из-за известной зависимости от температуры и тока прямосмещенной базы-эмиттера. переходного напряжения, BJT Сообщение для сообщения температуры путем вычитания двух напряжений при двух разных токах за нарушение в известном сообщении.

Логарифмические преобразователи

Временная база-эмиттер изменяется как логарифм Для токов база-эмиттер и коллектор-эмиттер, BJT также может работать для вычислений логарифмов и антилогарифмов. Диод также может выполнять эти нелинейные функции, но транзистор обеспечивает большую гибкость схемы.

Уязвимости

Воздействие на транзистор ионизирующего излучения вызывает радиационное повреждение. Излучение вызывает «дефекты» в накопительной области, которые предлагают рекомендации по рекомбинации. Результирующее сокращение срока службы неосновных носителей приводит к проверенной потере усиления транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные номиналы», включая номинальные мощности (ограниченные самонагревом), максимальные токи коллектора и базы (как постоянные / постоянные, так иовые) и напряжение пик пробоя номиналов, при превышении устройства может выйти из строя или, по крайней, работать плохо.

В дополнение к нормальным характеристикам пробоя устройства силовые BJT подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоям, при котором чрезмерный ток и нормальные дефекты в кремниевом кристалле вызывают части кремния. внутри устройства, чтобы стать непропорционально более горячим, чем другие. Удельное электрическое сопротивление легкого кремния, как и другие полупроводников, имеет отрицательный температурный коэффициент, что означает, что он проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть заставляет его снова становиться все более горячим, пока устройство не выйдет из строя изнутри. Процесс теплового разгона, связанный с вторичным пробоем, однажды запущенный, происходит почти мгновенно и может катастрофически повредить корпус транзистора.

Если переход эмиттер-база обратно смещен в режим лавинного или стабилитрона и заряд протекает в течение короткого периода времени, текущий коэффициент усиления BJT будет равен навсегда деградировала.

См. Также

Портал электроники

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с транзисторами с биполярным переходом.