Биполярные транзисторы

1. Биполярные транзисторы Шкарин А. В, Подызбина Ю. В. ПетрГУ 2012

2. Транзистор • или полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. • Обычно используется для • усиления, • генерации • и преобразования электрических сигналов.

3. Транзистор • В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

4. Транзистор • В 1956 г. за изобретение транзистора Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн получили Нобелевскую премию по физике. • Бардин, Шокли и Браттейн в лаборатории Bell, 1948.

5. Биполярный транзистор • — полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. • В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. • Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. • По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный).

6. Биполярный транзистор • Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора • Структура биполярного n-p-n транзистора. Ток через базу управляет током «коллектор-эмиттер».

7. Биполярный транзистор • Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. • На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — большая площадь p — n-перехода. • Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

8. Биполярный транзистор • Простейшая наглядная схема устройства транзистора • Обозначение биполярных транзисторов на схемах

9. Биполярный транзистор • Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику. • Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. • Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей.

10. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых зон: • эмиттера E (Э), • базы B (Б) • и коллектора C (К). • В зависимости от типа проводимости этих зон различают • NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) • и PNP транзисторы.

11. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • К каждой из зон подведены проводящие контакты. • База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегирован- ного полупроводника, обладающего большим сопротивлением.

12. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

13. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). • Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку.

14. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы К Э I Б

15. Устройство и принцип действия биполярного транзистора Рекомбинация • Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). К Э I Б

16. Устройство и принцип действия биполярного транзистора Рекомбинация • Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. К Э I Б Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор.

17. Устройство и принцип действия биполярного транзистора Рекомбинация • n-p-n транзистор К Э I Б

18. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). • Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α≈ 0.9 ÷0.999.

19. Устройство и принцип действия биполярного транзистора • Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. • Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). • Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

20. Режимы работы биполярного транзистора • Нормальный активный режим: • Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт) • UЭБ>0;UКБ<0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид UЭБ<0;UКБ>0); • Инверсный активный режим: • Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

21. Режимы работы биполярного транзистора • Режим насыщения: • Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). • Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).

22. Режимы работы биполярного транзистора • Режим отсечки: • В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты), • при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток; • Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении.

23. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: • Инжекция; • Диффузия; • Рекомбинация; • и Экстракция;

24. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Рассмотрим р-n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением: • рn(х)= рn0 exp(βVG) exp(-x/Lp)

25. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано нарисунке:

26. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Процесс переноса инжектированных носителей через базу – диффузионный. • Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения, – диффузионная длина Lp. • Поэтому если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. • Условие W < Lp является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управления током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи.

27. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. • Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей. • Таким образом, ток базы – это рекомбинационный ток.

28. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: • инжекция из эмиттера в базу; • диффузия через базу; • рекомбинация в базе; • экстракция из базы в коллектор. • Эти процессы для одного типа носителей схематически показаны на рисунке:

29. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Зонная диаграмма биполярного транзистора: • а) в равновесном состоянии; • б) в активном режиме

30. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • На рисунке а) показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (-) на этой диаграмме указаны электроны и дырки. • Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора Uэ > 0, Uк < 0.

31. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в базу. • База должна иметь достаточно малую толщину W (W << Lp, где Lp – диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прорекомбинировать за время переноса через базу.

32. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении, «собирает» инжектированные носители, прошедшие через слой базы. • Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах.

33. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие:

34. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn.

35. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn.

36. Основные физические процессы в биполярных транзисторах Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до • коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора.

37. Основные физические процессы в биполярных транзисторах Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

38. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uк < 0,|Uк| >> 0): • Iэ= Iк+ Iб, где Iэ– ток в цепи эмиттера, Iк– ток в цепи коллектора, Iб– ток на базовом выводе. • В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток Iэ, имеющий две компоненты: • Iэ= Iэр+ Iэn, где Iэр– ток инжекции дырок из эмиттера в базу, Iэn– ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. • Величина «полезной» дырочной компоненты равняется Iэp= γ·Iэ, где γ – эффективность эмиттера. • Величина дырочногоэмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκIэ.

39. Основные физические процессы в биполярных транзисторах • Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе Iэn = (1 – γ)·Iэ, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γIэ и тепловой ток коллектора Iк0. • Тепловой ток коллектора Iк0 имеет две составляющие: • Iк0= I0+ Ig , где I0 – тепловой ток, Ig – ток генерации.

40. Спасибо за внимание!