Биполярный транзистор
План:
Введение
- 1 История изобретения 2 Строение 3 Принцип действия 4 Классификация [2]
- 4.1 Обозначение типа транзистора
- 5.1 Активный режим 5.2 Инверсный режим 5.3 Режим насыщения 5.4 Режим отсечки
- 9.1 Схема с общей базой 9.2 Схема с общим эмиттером 9.3 Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
Источники
Введение
Биполярный транзистор
| PNP |
| 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 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 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 ОСТПервый 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):
|
2 3 |
Транзисторы средней мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором более 0,3 Вт, но не более 1,5 Вт)
|
5 6 |
Транзисторы большой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором более 1,5 Вт)
|
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 = ? [? 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 ? 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
- Коэффициент усиления по току: I вых / I вх = I к / I б = I к / (I е-I к) = ? / (1-?) = ? [? >> 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
- Худшие температурные и частотные свойства по сравнению с схеме с общей базой
9.3. Схема с общим коллектором (эмиттерный повторитель)
Эмиттерный повторитель на основе npn-транзистора
Выходные данные
- Коефицинт усиления по току: I вых / I вх = I е / I б = I е / (I е-I к) = 1 / (1-?) = ? [? >> 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
- Транзистор МДП-транзистор Полевой транзистор
Источники
Электротехнические товары: Словарь терминов , , Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. - Киев: Наукова думка, 1988. С. 183-191. Конспект курса "Электронные твердотельные приборы" (Рус.)
| Это незавершенная статья о электронику. |
| Это незавершенная статья физики. |
|
http://nado. *****
