Транзисторы с биполярным переходом

биполярный переходной транзистор (BJT) был назван потому, что его работа связана с проводимостью двух носителей:электронов и дырок в одном кристалле. Первый биполярный транзистор был изобретен в Bell Labs Уильямом Шокли, Уолтером Браттейном и Джоном Бардином так поздно в 1947 году, что не был опубликован до 1948 года. Таким образом, многие тексты различаются по дате изобретения. Браттейн изготовил германиевый точечный транзистор , имеющий некоторое сходство с точечным диодом. Через месяц у Шокли появился более практичный переходной транзистор . , которые мы описываем в следующих параграфах. Они были удостоены Нобелевской премии по физике в 1956 году за транзистор.

Биполярный переходной транзистор, показанный на рисунке ниже (а), представляет собой трехслойный полупроводниковый сэндвич NPN с эмиттером . и сборщик на концах и основание между. Это как если бы к двухслойному диоду был добавлен третий слой. Если бы это было единственным требованием, у нас было бы не более пары встречных диодов. На самом деле, гораздо проще построить пару встречных диодов. Ключ к созданию транзистора с биполярным переходом состоит в том, чтобы сделать средний слой, основание, как можно более тонким, без закорачивания внешних слоев, эмиттера и коллектора. Невозможно переоценить важность тонкой базовой области.

БЮТ-переходы

Устройство на рисунке ниже (а) имеет пару переходов, эмиттер-база и база-коллектор, а также две области истощения.

(а) Биполярный транзистор с переходом NPN. (b) Подайте обратное смещение к коллекторному базовому переходу.

Обычно обратное смещение перехода база-коллектор биполярного переходного транзистора, как показано на рисунке выше (b). Обратите внимание, что это увеличивает ширину обедненной области. Напряжение обратного смещения может составлять от нескольких вольт до десятков вольт. для большинства транзисторов. В цепи коллектора нет протекания тока, кроме тока утечки.

На рисунке ниже (а) к базовой цепи эмиттера добавлен источник напряжения. Обычно мы смещаем в прямом направлении переход эмиттер-база, преодолевая потенциальный барьер 0,6 В. Это похоже на прямое смещение переходного диода. Этот источник напряжения должен превышать 0,6 В, чтобы основные носители (электроны для NPN) текли из эмиттера в базу, становясь неосновными носителями в полупроводнике P-типа.

Если бы область базы была толстой, как в паре встречных диодов, весь ток, входящий в базу, потек бы через вывод базы. В нашем примере с NPN-транзистором электроны, покидающие эмиттер для базы, будут объединяться с отверстиями в базе, освобождая место для создания большего количества отверстий на (+) клемме батареи на базе по мере выхода электронов.

Однако основа изготавливается тонкой. Несколько основных носителей в эмиттере, введенные в качестве неосновных носителей в базу, фактически рекомбинируют. См. Рисунок ниже (b). Немногочисленные электроны, введенные эмиттером в базу NPN-транзистора, попадают в дырки. Кроме того, небольшое количество электронов, попадающих в базу, проходит непосредственно через базу к положительной клемме аккумулятора. Большая часть эмиттерного тока электронов диффундирует через тонкое основание в коллектор. Более того, модуляция малого тока базы приводит к большему изменению тока коллектора. Если базовое напряжение для кремниевого транзистора падает ниже примерно 0,6 В, большой ток эмиттер-коллектор перестает течь.

Биполярный транзистор с NPN переходом и обратным смещением коллектор-база:(a) Добавление прямого смещения к переходу база-эмиттер приводит к (b) небольшому току базы и большим токам эмиттера и коллектора.

Усиление тока БЮТ

На рисунке ниже мы более подробно рассмотрим механизм усиления тока. У нас есть увеличенный вид транзистора с переходом NPN с акцентом на тонкую базовую область. Хотя это не показано, мы предполагаем, что внешние источники напряжения 1) смещают в прямом направлении переход эмиттер-база, 2) обратное смещение переходят между базой и коллектором. Ток уходит с эмиттера на (-) вывод аккумуляторной батареи. Ток базы соответствует токам, поступающим на клемму базы от (+) клеммы аккумулятора.

Расположение электронов, попадающих в базу:(а) потеряны из-за рекомбинации с дырками в базе. (b) Вытекает из основания. (c) наиболее распространены из эмиттера через тонкое основание в обедненную область база-коллектор, и (d) быстро уносятся сильным электрическим полем обедненной области в коллектор.

Основными носителями в эмиттере N-типа являются электроны, которые становятся неосновными носителями при входе в базу P-типа. Эти электроны сталкиваются с четырьмя возможными судьбами, попадая в тонкую основу P-типа. Некоторые из них на Рисунке выше (а) попадают в отверстия в основании, которые способствуют протеканию тока базы к (+) клемме батареи. Не показано, отверстия в базе могут диффундировать в эмиттер и объединяться с электронами, внося вклад в ток на клеммах базы. Немногое в точке (b) протекает через базу к клемме (+) батареи, как если бы база была резистором. Оба элемента (а) и (б) вносят свой вклад в очень небольшой базовый ток. Базовый ток обычно составляет 1% от тока эмиттера или коллектора для малосигнальных транзисторов. Большая часть электронов эмиттера диффундирует прямо через тонкую базу (c) в область обеднения база-коллектор. Обратите внимание на полярность обедненной области, окружающей электрон в точке (d). Сильное электрическое поле быстро перемещает электрон в коллектор. Напряженность поля пропорциональна напряжению коллекторной батареи. Таким образом, 99% эмиттерного тока проходит в коллектор. Он контролируется базовым током, который составляет 1% от тока эмиттера. Это потенциальный коэффициент усиления по току 99, отношение I _C / I _B , также известная как бета, β.

Эта магия, диффузия 99% носителей эмиттера через базу, возможна только в том случае, если база очень тонкая. Какова будет судьба базы неосновных авианосцев в базе в 100 раз толще? Можно было бы ожидать, что скорость рекомбинации электронов, попадающих в дырки, будет намного выше. Возможно, 99% вместо 1% упали бы в ямы, так и не дойдя до коллектора. Во-вторых, необходимо отметить, что базовый ток может контролировать 99% тока эмиттера, только если 99% тока эмиттера диффундируют в коллектор. Если все это вытекает из базы, управление невозможно.

Еще одна особенность, обеспечивающая прохождение 99% электронов от эмиттера к коллектору, заключается в том, что в реальных транзисторах с биполярным переходом используется небольшой сильно легированный эмиттер. Высокая концентрация эмиттерных электронов заставляет многие электроны диффундировать в базу. Более низкая концентрация легирования в основе означает, что меньше дырок диффундирует в эмиттер, что приведет к увеличению тока базы. Диффузия носителей от эмиттера к базе настоятельно рекомендуется.

Тонкая база и сильно легированный эмиттер помогают сохранить эффективность эмиттера высокий, например 99%. Это соответствует 100% -ному разделению эмиттерного тока между базой, равной 1%, и коллектором, равной 99%. Эффективность эмиттера известна как α =I _C . / I _E .

Типы БЮТ

Биполярные переходные транзисторы доступны как PNP, а также как NPN-устройства. Мы представляем сравнение этих двух на рисунке ниже. Разница заключается в полярности диодных переходов база-эмиттер, что обозначено направлением стрелки эмиттера на схематическом символе. Он указывает в том же направлении, что и стрелка анода для переходного диода, вдоль тока. См. Диодный переход на предыдущем рисунке. Острие стрелки и полоски соответствуют полупроводникам P-типа и N-типа соответственно. Для излучателей NPN и PNP стрелка указывает в сторону основания соответственно. На коллекторе нет схематической стрелки. Однако переход база-коллектор имеет ту же полярность, что и переход база-эмиттер, по сравнению с диодом. Обратите внимание, мы говорим о диоде, а не о питании, полярности.

Сравните транзистор NPN на (a) с транзистором PNP на (b). Обратите внимание на направление стрелки эмиттера и полярность питания.

Источники напряжения для транзисторов PNP перевернуты по сравнению с транзисторами NPN, как показано на рисунке выше. В обоих случаях переход база-эмиттер должен иметь прямое смещение. База PNP-транзистора смещена отрицательно (b) по сравнению с положительным (a) для NPN. В обоих случаях переход база-коллектор имеет обратное смещение. Источник питания коллектора PNP является отрицательным по сравнению с положительным для транзистора NPN.

Биполярный переходной транзистор:(а) поперечное сечение дискретного устройства, (б) схематический символ, (в) поперечное сечение интегральной схемы.

Обратите внимание, что биполярный транзистор на рисунке выше (а) имеет сильное легирование в эмиттере, что обозначено обозначением N +. База имеет нормальный уровень P-легирующей примеси. Основание намного тоньше, чем показано на поперечном сечении без соблюдения масштаба. Коллектор слегка легирован, как указано обозначением N. Коллектор должен быть слегка легирован, чтобы переход коллектор-база имел высокое напряжение пробоя. Это означает высокое допустимое напряжение источника питания коллектора. Кремниевые малосигнальные транзисторы имеют напряжение пробоя 60-80 В. Хотя для высоковольтных транзисторов он может достигать сотен вольт. Коллектор также должен быть сильно легирован, чтобы минимизировать омические потери, если транзистор должен выдерживать большой ток. Эти противоречивые требования удовлетворяются за счет более сильного легирования коллектора в области металлического контакта. Коллектор у базы слегка легирован по сравнению с эмиттером. Сильное легирование эмиттера дает основанию эмиттера низкое напряжение пробоя, примерно 7 В в транзисторах с малым сигналом. Сильнолегированный эмиттер придает переходу эмиттер-база характеристики стабилитрона при обратном смещении.

БЮТ умирают , кусок полупроводниковой пластины, нарезанной кубиками, монтируется коллектором вниз к металлическому корпусу для силовых транзисторов. То есть металлический корпус электрически подключен к коллектору. Маленькая сигнальная матрица может быть залита эпоксидной смолой. В силовых транзисторах алюминиевые соединительные провода соединяют базу и эмиттер с выводами корпуса. Матрицы малосигнальных транзисторов могут устанавливаться непосредственно на выводные провода. Несколько транзисторов могут быть изготовлены на одном кристалле, который называется интегральной схемой . . Даже коллектор может быть прикреплен к проводу вместо корпуса. Интегральная схема может содержать внутреннюю разводку транзисторов и других интегральных компонентов. Интегрированный BJT, показанный на (Рисунок (c) выше), намного тоньше, чем рисунок «без масштаба». Область P + изолирует несколько транзисторов в одном кристалле. Слой металлизации алюминия (не показан) соединяет несколько транзисторов и другие компоненты. Область эмиттера сильно легирована N + по сравнению с базой и коллектором для повышения эффективности эмиттера.

Дискретные транзисторы PNP почти не уступают по качеству аналогу NPN. Однако интегрированные PNP-транзисторы не так хороши, как NPN-транзисторы в одном кристалле интегральной схемы. Таким образом, интегральные схемы максимально используют разнообразие NPN.

ОБЗОР:

• Биполярные транзисторы проводят ток, используя как электроны, так и дырки в одном устройстве.
• Для работы биполярного транзистора в качестве усилителя тока необходимо, чтобы переход коллектор-база был смещен в обратном направлении, а переход эмиттер-база был смещен в прямом направлении.
• Транзистор отличается от пары встречных диодов тем, что база, центральный слой, очень тонкая. Это позволяет основным носителям из эмиттера диффундировать в качестве неосновных носителей через базу в обедненную область перехода база-коллектор, где их собирает сильное электрическое поле.
• Эффективность эмиттера повышается за счет более сильного легирования по сравнению с коллектором. Эффективность излучателя:α =I _C / I _E , 0,99 для малых сигнальных устройств.
• Текущее усиление β =I _C / I _B , От 100 до 300 для малосигнальных транзисторов.

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ТАБЛИЦЫ:

• Рабочий лист теории биполярного переходного транзистора (BJT)