Bipolaarinen transistori

Bipolaarinen transistori  on kolmielektrodinen puolijohdelaite , yksi transistorityypeistä . Puolijohderakenteeseen muodostuu kaksi pn-liitosta , joiden kautta varauksen siirto tapahtuu kahden polariteetin - elektronien ja reikien - kantajien avulla . Tästä syystä laitetta kutsuttiin "bipolaariseksi" ( englanninkielisestä  bipolaarisesta sanasta ), toisin kuin kenttätransistori (unipolaarinen) .

Sitä käytetään elektronisissa laitteissa sähköisten värähtelyjen vahvistamiseen tai synnyttämiseen sekä kytkentäelementtinä (esimerkiksi TTL -piireissä ).

Laite

Bipolaarinen transistori koostuu kolmesta puolijohdekerroksesta, joissa on vaihteleva epäpuhtausjohtavuus : emitteri (merkitty "E", eng.  E ), kanta ("B", eng.  B ) ja kollektori ("K", eng.  C ) . Kerrosten vuorottelujärjestyksestä riippuen erotetaan npn (emitteri - n - puolijohde , kanta - p - puolijohde , kollektori - n - puolijohde) ja pnp -transistorit. Johtavat ei-tasasuuntaavat koskettimet on kytketty kuhunkin kerrokseen [2] .

Johtavuustyyppien näkökulmasta emitteri- ja kollektorikerrokset eivät eroa toisistaan, mutta valmistuksen aikana ne eroavat merkittävästi dopingasteen suhteen laitteen sähköisten parametrien parantamiseksi. Keräilijäkerros on kevyesti seostettu, mikä lisää sallittua kollektorijännitettä. Emitterikerros on voimakkaasti seostettu: emitteriliitoksen läpilyöntikäänteisen jännitteen suuruus ei ole kriittinen, koska transistorit toimivat yleensä elektronisissa piireissä, joissa on eteenpäin esijännitetty emitteriliitos. Lisäksi emitterikerroksen raskas seostus antaa paremman vähemmistökantajan ruiskutuksen peruskerrokseen, mikä lisää virransiirtokerrointa yleisissä peruspiireissä. Pohjakerros on kevyesti seostettu, koska se sijaitsee emitteri- ja kollektorikerroksen välissä ja sillä on oltava korkea sähkövastus .

Kanta-emitteri-liitoksen kokonaispinta-ala on paljon pienempi kuin kollektori-kantaliitoksen pinta-ala, mikä lisää todennäköisyyttä saada vähemmistökannettajia pohjakerroksesta ja parantaa siirtokerrointa. Koska kollektori-kantaliitos kytketään toimintatilassa yleensä päälle käänteisellä esijännityksellä, pääosa laitteen johtamasta lämmöstä vapautuu siihen, ja sen pinta-alan kasvu edistää kiteen parempaa jäähdytystä. Siksi käytännössä yleiskäyttöinen bipolaarinen transistori on epäsymmetrinen laite (eli käänteinen kytkentä, kun emitteri ja kollektori ovat käänteisiä, on epäkäytännöllistä).

Taajuusparametrien (nopeuden) lisäämiseksi pohjakerroksen paksuutta pienennetään, koska tämä muun muassa määrää vähemmistökantoaaltojen "lentoajan" (diffuusio ajautumattomissa laitteissa). Mutta pohjan paksuuden pienentyessä rajoittava kollektorijännite pienenee, joten pohjakerroksen paksuus valitaan kohtuullisen kompromissin perusteella.

Varhaiset transistorit käyttivät metallista germaniumia puolijohdemateriaalina . Siihen perustuvilla puolijohdelaitteilla on useita haittoja , ja tällä hetkellä (2015) kaksinapaiset transistorit valmistetaan pääasiassa yksikiteisestä piistä ja yksikiteisestä galliumarsenidista . Galliumarsenidissa olevien kantajien erittäin suuren liikkuvuuden vuoksi galliumarsenidiin perustuvilla laitteilla on suuri nopeus, ja niitä käytetään ultranopeissa logiikkapiireissä ja mikroaaltovahvistinpiireissä .

Kuinka se toimii

Aktiivisessa vahvistustilassa transistori kytketään päälle niin, että sen emitteriliitos on eteenpäin - biasoitu [3] (avoin) ja kollektoriliitos on käänteisbiasoitu (suljettu).

Npn - tyyppisessä transistorissa [4] emitterin päävarauksenkuljettajat (elektronit) kulkevat avoimen emitteri-kantaliitoksen läpi ( ruiskutetaan ) kantaalueelle. Jotkut näistä elektroneista yhdistyvät enemmistön varauksenkuljettajien kanssa pohjassa (reiät). Kuitenkin johtuen siitä, että pohja on tehty erittäin ohueksi ja suhteellisen kevyesti seostettuna, suurin osa emitteristä ruiskutettavista elektroneista diffundoituu kollektorialueelle, koska rekombinaatioaika on suhteellisen pitkä [5] . Käänteisen esijännityksen kollektoriliitoksen voimakas sähkökenttä vangitsee vähemmistökantoaaltoja alustasta (elektroneja) ja siirtää ne kollektorikerrokseen. Siksi kollektorivirta on käytännössä sama kuin emitterivirta, lukuun ottamatta pientä rekombinaatiohäviötä pohjassa, joka muodostaa kantavirran ( I e \u003d I b + I k ).

Kerroin α, joka yhdistää emitterivirran ja kollektorivirran ( I k \u003d α I e ), kutsutaan emitterivirran siirtokertoimeksi . Kertoimen α numeroarvo = 0,9–0,999. Mitä suurempi kerroin, sitä tehokkaammin transistori siirtää virtaa. Tämä kerroin riippuu vähän kollektori-kanta- ja kanta-emitterijännitteistä. Siksi laajalla käyttöjännitteiden alueella kollektorivirta on verrannollinen kantavirtaan, suhteellisuustekijä on β = α / (1 - α), 10 - 1000. Näin ollen pieni kantavirta käyttää paljon suurempaa kollektoria. nykyinen.

Toimintatavat


Emitteri-,
kanta-
, kollektorijännitteet
( )		 Perus-emitteriliitoksen
offset npn - tyypille

 Peruskeräimen
liitoksen siirtymä npn-tyypille

 Tila
npn-tyypille
suoraan käänteinen normaali
aktiivinen tila
suoraan suoraan kylläisyystila
käänteinen käänteinen katkaisutila
käänteinen suoraan käänteinen
aktiivinen tila

Emitteri-,
kanta-
, kollektorijännitteet
( )		 Kanta-emitteriliitoksen
offset pnp - tyypille

 Kantakeräimen
liitoksen siirtymä pnp-tyypille

 Tila
pnp-tyypille
käänteinen suoraan käänteinen
aktiivinen tila
käänteinen käänteinen katkaisutila
suoraan suoraan kylläisyystila
suoraan käänteinen normaali
aktiivinen tila

Normaali aktiivinen tila

Emitteri-kantaliitos on päällä eteenpäin [3] (avoin) ja kollektori-kantaliitos on päinvastaisessa suunnassa (kiinni):

U EB < 0; U KB > 0 ( npn - tyyppiselle transistorille), pnp - tyypin transistorille ehto näyttää tältä U EB > 0; U KB < 0.

Käänteinen aktiivinen tila

Emitteriliitos on käänteinen biasoitu ja kollektoriliitos on myötäsuuntainen: U KB < 0; U EB > 0 ( npn -tyyppiselle transistorille ).

Kylläisyystila

Molemmat pn- liitokset ovat eteenpäin biasoituja (molemmat auki). Jos emitterin ja kollektorin p-n- liitokset on kytketty ulkoisiin lähteisiin eteenpäin, transistori on kyllästystilassa. Ulkoisten lähteiden Ueb ja Ucb synnyttämä sähkökenttä vaimentaa osittain emitteri- ja kollektoriliitosten diffuusiosähkökenttää . Tämän seurauksena päävarauksenkuljettajien diffuusiota rajoittava potentiaalieste pienenee ja reikien tunkeutuminen (injektio) emitteristä ja kollektorista alustaan ​​alkaa, eli virrat kulkevat emitterin ja kollektorin läpi. transistori, jota kutsutaan emitterin ( I e. us ) ja kollektorin ( I K. us ) kyllästysvirroiksi.

Kollektori-emitterin kyllästysjännite (U KE. us ) on jännitehäviö avoimen transistorin yli ( R SI:n semanttinen analogi. avoin kenttätransistoreille). Vastaavasti kanta-emitterin kyllästysjännite (U BE. us ) on avoimen transistorin kannan ja emitterin välinen jännitehäviö.

Katkaisutila

Tässä tilassa kollektorin pn - liitos on biasoitu vastakkaiseen suuntaan, ja emitteriliitokseen voidaan soveltaa sekä taaksepäin että myötäsuuntaista esijännitettä, joka ei ylitä kynnysarvoa, josta pienten varauksenkuljettajien emissio emitteristä alkaa kanta-alueelle. (piitransistoreille noin 0,6-0,7 V).

Katkaisutila vastaa ehtoa U EB <0,6—0,7 V tai I B =0 [6] [7] .

Estetila

Tässä tilassa transistorin DC- kanta on oikosuljettu tai pienen vastuksen kautta kollektorineen , ja transistorin kollektori- tai emitteripiiriin on kytketty vastus , joka asettaa virran transistorin läpi. Tässä yhteydessä transistori on eräänlainen diodi, joka on kytketty sarjaan virtaa asettavan vastuksen kanssa. Tällaiset kaskadipiirit erottuvat pienestä määrästä komponentteja, hyvästä suurtaajuisesta erotuksesta, suuresta käyttölämpötila-alueesta ja epäherkkyydestä transistorin parametreille.

Vaihtokaaviot

Jokaiselle transistorin kytkentäpiirille on ominaista kaksi pääindikaattoria:

Kytkentäkaavio yhteisellä pohjalla

Yhteisellä kannalla varustetun vahvistinasteen tuloresistanssi ( tuloimpedanssi ) ei riipu paljon emitterin virrasta, virran kasvaessa se pienenee eikä ylitä yksikköjä - satoja ohmeja pienitehoisille portaille, koska tulopiiri vaiheen on transistorin avoin emitteriliitos.

Edut Vikoja

Kytkentäpiiri yhteisellä emitterillä

Edut Vikoja

Yhteinen keräinpiiri

Edut Vikoja

Piiriä, jossa on tällainen inkluusio, kutsutaan usein " emitterin seuraajaksi ".

Perusparametrit

Transistoriparametrit on jaettu omiin (ensisijaisiin) ja toissijaisiin. Omat parametrit kuvaavat transistorin ominaisuuksia riippumatta sen sisällyttämiskaaviosta. Seuraavat hyväksytään tärkeimmiksi omiksi parametreiksi:

Toissijaiset parametrit ovat erilaiset eri transistorikytkentäpiireissä ja ne ovat epälineaarisuuden vuoksi voimassa vain matalilla taajuuksilla ja pienillä signaaliamplitudeilla. Toissijaisille parametreille on ehdotettu useita parametrijärjestelmiä ja niitä vastaavia vastaavia piirejä. Tärkeimmät ovat sekoitettuja (hybridi) parametreja, jotka on merkitty kirjaimella " h ".

Tulovastus  - Transistorin resistanssi AC-tuloon, kun lähtö on oikosulussa. Tulovirran muutos on seurausta tulojännitteen muutoksesta ilman lähtöjännitteen takaisinkytkentävaikutusta.

h 11 \ u003d U m1 / I m1 , jossa U m2 \u003d 0.

Jännitteen takaisinkytkentäkerroin osoittaa, kuinka suuri osa ulostulon vaihtojännitteestä siirtyy transistorin sisääntuloon siinä olevan takaisinkytkennän vuoksi. Transistorin tulopiirissä ei ole vaihtovirtaa, ja tulojännitteen muutos tapahtuu vain lähtöjännitteen muutoksen seurauksena.

h 12 \ u003d U m1 / U m2 , jossa I m1 \u003d 0.

Virransiirtokerroin (virtavahvistus) osoittaa AC-virran vahvistuksen nollakuormitusvastuksessa. Lähtövirta riippuu vain tulovirrasta ilman lähtöjännitteen vaikutusta.

h 21 \ u003d I m2 / I m1 , jossa U m2 \u003d 0.

Output Conductance  - Sisäinen johto AC:lle lähtöliittimien välillä. Lähtövirta muuttuu lähtöjännitteen vaikutuksesta.

h 22 \ u003d I m2 / U m2 , jossa I m1 \u003d 0.

Vaihtovirtojen ja transistorin jännitteiden välinen suhde ilmaistaan ​​yhtälöillä:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ; I m2 \ u003d h 21 I m1 + h 22 U m2 .

Transistorin kytkentäpiiristä riippuen h-parametrien digitaalisiin indekseihin lisätään kirjaimet: "e" - OE-piirille, "b" - OB-piirille, "k" - OK-piirille.

OE-kaaviolle: I m1 = I mb , I m2 = I mk , U m1 = U mb-e , U m2 = U mk-e . Esimerkiksi tälle kaavalle:

h 21e \ u003d I mk / I mb \ u003d β.

OB-kaaviossa: I m1 \ u003d I me , I m2 \ u003d I mk , U m1 \ u003d U me-b , U m2 \ u003d U mk-b .

Transistorin sisäiset parametrit liittyvät h -parametreihin, esimerkiksi OE-piirille:

;

;

;

.

Taajuuden kasvaessa kollektoriliitoksen C to kapasitanssilla alkaa olla huomattava vaikutus transistorin toimintaan . Sen reaktanssi pienenee, vaihtamalla kuormaa ja vähentäen siten vahvistuksia α ja β. Myös emitteriliitoksen resistanssi C e pienenee, mutta se on ohitettu alhaisella liitosresistanssilla r e ja se voidaan useimmissa tapauksissa jättää huomiotta. Lisäksi taajuuden kasvaessa tapahtuu lisälasku kertoimessa β johtuen kollektorivirran vaiheen viiveestä emitterivirran vaiheesta, mikä johtuu kantoaaltojen siirtämisen prosessin inertiasta alustan läpi emitteristä. liitos kollektoriliitokseen ja varauksen kertymis- ja resorptioprosessien inertia pohjassa. Taajuuksia, joilla kertoimet α ja β pienenevät 3 dB, kutsutaan vastaavasti OB- ja OE-piirien virransiirtokertoimen rajataajuuksiksi .

Pulssitilassa kollektorivirta muuttuu viiveellä τc viiveellä suhteessa tulovirtapulssiin, mikä johtuu kantoaaltojen rajallisesta kulkuajasta kannan läpi. Kantoaaltojen kertyessä kantaan kollektorivirta kasvaa etuosan τ f keston aikana . Transistorin käynnistysaikaa kutsutaan τ on \ u003d τ c + τ f .

Virrat transistorissa

Bipolaarisen transistorin virroilla on kaksi pääkomponenttia.

Bipolaarinen mikroaaltotransistori

Bipolaarisia mikroaaltotransistoreja (BT microwave) käytetään vahvistamaan värähtelyjä, joiden taajuus on yli 0,3 GHz [8] . Yli 1 W:n lähtötehon BT-mikroaaltouunin ylätaajuus on noin 10 GHz. Suurin osa suuritehoisista mikroaalto-BT:istä on rakenteeltaan npn-tyyppisiä [9] . Siirtymien muodostusmenetelmän mukaan mikroaalto-BT:t ovat epitaksiaalisesti tasomaisia . Kaikilla mikroaalto-BT:illä, lukuun ottamatta kaikkein pienitehoisimpia, on moniemitterirakenne (kampa, verkko) [10] . Tehon mukaan BT-mikroaaltouunit jaetaan pienitehoisiin (hajotettu teho jopa 0,3 W), keskitehoiseen (0,3 - 1,5 W) ja tehokkaaseen (yli 1,5 W) [11] . Valmistetaan suuri määrä pitkälle erikoistuneita BT-mikroaaltouuneja [11] .

Transistoritekniikka

Transistorien sovellukset

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ GOST 2.730-73 Yhtenäinen suunnitteludokumentaatiojärjestelmä. Ehdolliset graafiset merkinnät kaavioissa. Puolijohdelaitteet. . Haettu 4. marraskuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 22. elokuuta 2018.
  2. ↑ Ei-tasasuuntaava eli ohminen kosketus  - kahden erilaisen materiaalin kosketus, joiden virta-jännite-ominaisuus on symmetrinen polariteettia muutettaessa ja lähes lineaarinen.
  3. ↑ 1 2 Pn-liitoksen myötäsuuntainen bias tarkoittaa, että p-tyypin alueella on positiivinen potentiaali suhteessa n-tyypin alueeseen.
  4. ↑ Pnp - tapauksessa kaikki argumentit ovat samanlaisia ​​korvaamalla sana "elektronit" sanalla "reiät" ja päinvastoin sekä korvaamalla kaikki jännitteet päinvastaisella merkillä.
  5. ↑ Lavrentiev B. F. Sähköisten välineiden piirit . - M . : Publishing Center "Academy", 2010. - S.  53 -68. — 336 s. - ISBN 978-5-7695-5898-6 .
  6. ↑ Luento nro 7 - Bipolaaritransistori aktiivisena nelinapaisena, h-parametrit . Haettu 25. maaliskuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 7. huhtikuuta 2016.
  7. ↑ Elektroniikan fyysiset perusteet: menetelmä. ohjeet laboratoriotöihin / comp. V. K. Usoltsev. - Vladivostok: Far Eastern State Technical Universityn kustantamo, 2007. - 50 s.: ill.
  8. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 284.
  9. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 285.
  10. ↑ Kuleshov, 2008 , s. 286.
  11. ↑ 1 2 Kuleshov, 2008 , s. 292.

Linkit

Kirjallisuus