Биполярный транзистор

BJT symbol PNP.svg PNP
BJT symbol NPN.svg NPN
Схематические
обозначения
транзисторов PNP-
и NPN типов
.

Биполярный транзистор - полупроводниковый элемент электронных схем, с тремя электродами, один из которых служит для управления током между двумя другими. Термин "биполярный" подчеркивает тот факт, что принцип работы прибора заключается во взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрицательный электрический заряд.

Выводы биполярного транзистора называются эмиттером, базой и коллектором. В зависимости от типа носителей заряда, которые используются в транзисторе, биполярные транзисторы делятся на транзисторы NPN и PNP типа. В транзисторе NPN типа эмиттер и коллектор легуються донорами, а база - акцепторами. В транзисторе PNP типа - наоборот.


1. История изобретения

Биполярный транзистор изобрели в 1947 году Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Шокли с Bell Labs, за что получили Нобелевскую премию по физике. Впервые его продемонстрировали 16 декабря, а 23 декабря состоялось официальное представление изобретения и именно эта дата считается днем открытия транзистора. [1]


2. Строение

Поперечный разрез транзистора

На рисунке справа схематически показана строение биполярного транзистора NPN типа. Коллектором служит полупроводник n-типа, легированный донорами в невысокой концентрации 13 октября -10 15 см -3. Перед созданием базы полупроводник покрывают фоторезистом и с помощью литографии освобождают окно для легирования акцепторами. Атомы акцептора диффундируют в глубину полупроводника, создавая область с достаточно высокой концентрацией - 17 октября -10 18 см -3. На третьем этапе вновь создается окно для легирования донорами и образуют эмиттер с еще высокой концентрацией примесей, необходимой для того, чтобы сначала компенсировать акцепторы, а затем создать полупроводник n-типа. Отношение примесей в эмиттере и в базе должно быть как можно больше для обеспечения хороших характеристик транзистора.

Еще лучших характеристик можно достичь, если переход между базой и эмиттером сделать гетеропереходом, в котором эмиттер имеет гораздо большую ширину запрещенной зоны, хотя это и увеличивает себестоимость транзистора. В таком случае на поверхность базы через окно напыляется другое вещество.


3. Принцип действия

Действие биполярного транзистора основан на использовании двух pn переходов между базой и эмиттером и базой и коллектором. В области pn переходов возникают слои пространственного заряда, между которыми лежит тонкая нейтральная база. Если между базой и эмиттером создать напряжение в прямом направлении, то носители заряда инжектируются в базу и диффундируют к коллектору. Поскольку они являются неосновными носителями в базе, то легко проникают через pn переход между базой и коллектором. База изготавливается достаточно тонкой, чтобы носители заряда не успели прорекомбинуваты, создав значительный ток базы. Если между базой и эмиттером приложить запорную напряжение, то ток через участок коллектор-эмиттер НЕ протекать.


4. Классификация [2]

Транзисторы классифицируются по исходным материалом, рассеиваемой мощностью, диапазоном рабочих частот, принципу действия. В зависимости от исходного материала их делят на две группы: германиевые и кремниевые. По диапазону рабочих частот их делят на транзисторы низких, средних и высоких частот, по мощности - на классы транзисторов малой, средней и большой мощности. Транзисторы малой мощности делят на шесть групп: усилители низких и высоких частот, малошумящие усилители, переключатели насыщенные, ненасыщенные и малого тока; транзисторы большой мощности - на три группы: усилители, генераторы, переключатели. По технологическим признакам различают сплавные, сплавно-диффузионные, диффузионно-сплавные, конверсионные, эпитаксиальные, планарные, эпитаксиальных-планарные транзисторы.


4.1. Обозначение типа транзистора

Обозначение типа транзистора установлено отраслевым стандартом ОСТ 11 336.919-81. Первый элемент обозначает исходный материал с которого изготовлен транзистор: германий или его соединения - Г, кремний или его соединения - К, соединения галлия - А. Второй элемент - подкласс полупроводникового прибора. Для биполярных транзисторов вторым элементом является буква Т. Третий элемент - назначение прибора (таблица). Четвертый элемент - число от 01 до 99, что обозначает порядковый номер разработки типа прибора. Допускается трехзначный номер - от 101 до 999, если номер разработки превышает 99. Пятый элемент обозначения - буква русского алфавита, определяющая классификацию по параметрам приборов, изготовленных по единым технологиям.

Третий элемент обозначения транзисторов
Подкласс транзисторов Обозначение
Транзисторы малой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором не более 0,3 Вт):
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой не более 3 МГц
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой более 3 МГц, но не более 30 МГц
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой более 30 МГц


1

2

3

Транзисторы средней мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором более 0,3 Вт, но не более 1,5 Вт)
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой не более 3 МГц
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой более 3 МГц, но не превышает 30 МГц
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой более 30 МГц


4

5

6

Транзисторы большой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором более 1,5 Вт)
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой не более 3 МГц
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой более 3 МГц, но не превышает 30 МГц
  • с граничной частотой коэффициента передачи тока или максимальной рабочей частотой более 30 МГц


7

8

9


5. Режимы работы транзистора [3]

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе есть 2 перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в схемах усиления. Кроме активного выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный - открытый, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором переходы закрыты. Первой практической математической модели биполярного транзистора была Модель Эберса -Молла.


5.1. Активный режим

Активному режима работы и транзистора соответствует открытое состояние эмиттерного перехода и закрытый коллекторный переход. В этом режиме переходы транзистора имеют разную ширину: закрытый коллекторный переход значительно шире чем открытый эмиттерный переход. Кроме сквозного потока электронов, в структуре в активном режиме проттрикае другой поток, а именно, встречный поток дырок, движущихся из базы в эмиттер. Два встречных потока (дырок и электронов) отражают эффект рекомбинации базы. Электронный поток создается электронами, которые движутся с эмиттера, однако не доходят до коллекторного перехода (как электроны, создающие сквозной поток), а рекомбинируют с дырками в базе. Дырочный поток создается дырками, поступающих из внешнего круга в базу для компенсации потери дырок при рекомбинации с электронами. Указанные потоки создают в внешних цепях эмиттера и базы дополнительные составляющие токов. На рисунке также показаны потоки неосновных носителей заряда, создающих собственный тепловой ток коллекторного перехода (поток электронов, движущихся из базы в коллектор, и поток дырок из коллектора в базу).

Сквозной поток является единственным полезным потоком носителей в транзисторе, поскольку определяет возможность усиления электрических сигналов. Все другие потоки не участвуют в усилении сигнала, и поэтому являются побочными. Для того чтобы транзистор имел высокий коэффициент усиления, необходимо чтобы побочные потоки были как можно слабее по сравнению с полезным сквозным потоком.


5.2. Инверсный режим

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы биполярного транзистора аналогичный активном режима с отличием лишь в том, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом - эмиттерный.

5.3. Режим насыщения

В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. В этом режиме электроны и из эмиттера, и из коллектора движутся в базу, в результате чего в структуре протекают два встречных сквозных потока электронов (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора. В результате двойного насыщения базы, в ней накапливаются избыточные электроны, в результате чего усиливается их рекомбинация с дырками и рекомбинированный ток базы намного выше, чем в активном или инверсном режимах. В связи с насыщением базы транзистора и его переходов, избыточными носителями зарядов, сопротивление последних становится очень маленьким. Поэтому электрические цепи, содержащие транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутыми.


5.4. Режим отсечки

В режиме отсечки оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии. Сквозные потоки электронов в этом режиме отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающих малые неуправляемые тепловые токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивление очень высоким. Поэтому считают, что транзистор в режиме отсечки разрывает электрическую цепь. Режим насыщения и отсечки используются при работе транзистора в импульсных схемах.


6. Характеристики

Характеристики биполярных транзисторов можно разделить на входные, переходные, выходные и характеристики управления.

7. Использование

Биполярные транзисторы используются в усилителях, генераторах, преобразователях сигнала логических схемах.

8. Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что у входа (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемам с общим эмиттером (СЭ), общей базой (ВБ) и общим коллектором (СК).


9. Схемы подключения

Любая схема подключения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

  • Коэффицент усиления по току n = I вых / I вх
  • входное сопротивление R вх = U вх / I вх

9.1. Схема с общей базой

Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора
  • Коэффициент усиления по току: I вых / I вх = I к / I э = α [α <1]
  • Входное сопротивление R вх = U вх / I вх = U бэ / I е.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мал и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, поскольку входная цепь транзистора при этом является открытым ЭП переходом транзистора.

Преимущества:

  • Хорошие температурные и частотные свойства
  • Высокая допустимое напряжение

Недостатки

  • Малое усиление по току, поскольку α <1
  • Малый входное сопротивление
  • Два разных источника напряжения для питания

9.2. Схема с общим эмиттером

Усилительный каскад по схеме подключения транзистора с общим эмиттером на основе npn-транзистора (схема с заземленным эмиттером)

Выходные данные

I_ \ text {вых} = I_ \ text {к}
I_ \ text {вх} = I_ \ text {бы}
U_ \ text {вх} = U_ \ text {бе}
U_ \ text {вых} = U_ \ text {ке}
  • Коэффициент усиления по току: I вых / I вх = I к / I б = I к / (I е-I к) = α / (1-α) = β [β >> 1]
  • Вход сопротивление: R вх = U вх / I вх = U бэ / I б

Преимущества:

  • Большой коэффициент усиления по току
  • Большой коэффициент усиления по напряжению
  • Больше усиления мощности
  • Можно обойтись одним источником питания
  • Выходная напряжение инвертируется относительно входного

Недостатки


9.3. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)

Эмиттерный повторитель на основе npn-транзистора

Выходные данные

I_ \ text {вых} = I_ \ text {е}
I_ \ text {вх} = I_ \ text {бы}
U_ \ text {вх} = U_ \ text {бк}
U_ \ text {вых} = U_ \ text {ке}
  • Коефицинт усиления по току: I вых / I вх = I е / I б = I е / (I е-I к) = 1 / (1-α) = β [β >> 1]
  • Входное сопротивление: R вх = U вх / I вх = (U бэ + U кэ) / I б

Преимущества

  • Большой входное сопротивление
  • Малый выходное сопротивление

Недостатки

  • Коэффициент усиления по напряжению меньше 1

10. Смотрите также

Источники

  1. Электротехнические товары: Словарь терминов
  2. Терещук Р.М., Терещук К.М., Седов С.А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. - Киев: Наукова думка, 1988. С. 183-191.
  3. Конспект курса "Электронные твердотельные приборы" (Рус.)


Электроника Это незавершенная статья о электронику.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.
Физика Это незавершенная статья физики.
Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив ее.
Пассивные твердотельные
Активные твердотельные
Диод ? Светодиод ? Фотодиод ? Полупроводниковый лазер ? Диод Шоттки ? Стабилитрон ? Стабисторы ? Варикапов ? Вариконд ? Диодный мост ? Лавинно-пролетный диод ? Туннельный диод ? Диод Ганна
Транзистор ? Биполярный транзистор ? Полевой транзистор ? КМОП-транзистор ? Однопереходной транзистор ? Фототранзистор ? Составленный транзистор
Интегральная схема ? Цифровая интегральная схема ? Аналоговая интегральная схема
Тиристор ? Симистор ? Динисторы ? Мемристор
Пассивные вакуумные
Активные вакуумные и газоразрядные
Устройства отображения
Акустические приборы и датчики
Термоэлектрические устройства