Биполярный переходной транзистор - Bipolar junction transistor

"БЮТ" и "Переходный транзистор" перенаправляются сюда. Для использования в других целях см. BJT (значения) и Соединительный транзистор (значения).

	NPN
	PNP

Условные обозначения схемы BJT

Типовые индивидуальные пакеты BJT. Сверху вниз: ТО-3, К-126, ТО-92, СОТ-23

А биполярный переходной транзистор (BJT) является разновидностью транзистор который использует оба электроны и электронные дыры так как носители заряда. Напротив, униполярный транзистор, такой как полевой транзистор используйте только один вид носителя заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, подаваемому на один из его выводов, управлять гораздо большим током, протекающим между двумя другими выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению.

BJT используют два соединения между двумя полупроводник типы, n-тип и p-тип, которые представляют собой области в монокристалле материала. Соединения можно выполнить несколькими способами, например, изменить допинг полупроводникового материала по мере его выращивания, путем осаждения металлических таблеток для образования переходов сплава или такими методами, как диффузия легирующих веществ n-типа и p-типа в кристалл. Превосходная предсказуемость и производительность переходных транзисторов вскоре вытеснили оригинальные точечный транзистор. Диффузные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральные схемы для аналоговых и цифровых функций. Сотни транзисторов с биполярным переходом могут быть изготовлены в одной схеме по очень низкой цене.

Интегральные схемы на биполярных транзисторах были основными активными устройствами поколения мэйнфреймов и мини-компьютеров, но в большинстве компьютерных систем сейчас используются интегральные схемы, основанные на полевые транзисторы. Биполярные транзисторы до сих пор используются для усиления сигналов, коммутации и в цифровых схемах. Специализированные типы используются для высоковольтных переключателей, радиочастотных усилителей или для коммутации сильных токов.

Соглашения о текущем направлении

По соглашению, направление тока на диаграммах показано как направление, в котором будет двигаться положительный заряд. Это называется обычный ток. Однако ток во многих металлических проводниках возникает из-за потока электронов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении, противоположном обычному току.^[а] С другой стороны, внутри биполярного транзистора токи могут состоять как из положительно заряженных дырок, так и из отрицательно заряженных электронов. В этой статье стрелки тока показаны в обычном направлении, но метки движения дырок и электронов показывают их фактическое направление внутри транзистора. Стрелка на символе биполярных транзисторов указывает на PN-переход между базой и эмиттером и указывает направление, в котором проходит обычный ток.

Функция

BJT существуют как типы PNP и NPN на основе допинг типы трех основных терминальных регионов. Транзистор NPN состоит из двух полупроводниковые переходы которые имеют общую тонкую p-легированную область, а PNP-транзистор содержит два полупроводниковых перехода, которые разделяют тонкую n-легированную область. N-тип означает легирование примесями, которые обеспечивают подвижные электроны, а P-тип означает легирование примесями, которые обеспечивают дырки, которые легко принимают электроны.

NPN BJT с прямым смещением E – B переходом и обратным смещением B – C переходом

Поток заряда в BJT обусловлен распространение из носители заряда через соединение между двумя областями с различной концентрацией носителей заряда. Области БЮТ называются излучатель, база, и коллекционер.^[b] Дискретный транзистор имеет три вывода для подключения к этим областям. Обычно область эмиттера сильно легирована по сравнению с двумя другими слоями, а коллектор легирован слабее, чем база (легирование коллектора обычно в десять раз легче, чем легирование базы ^[2]). По своей конструкции большая часть тока коллектора БЮТ связана с потоком носителей заряда (электронов или дырок), инжектируемых из сильно легированного эмиттера в базу, где они находятся. миноритарные перевозчики которые диффундируют к коллектору, и поэтому BJT классифицируются как устройства на неосновных носителях.

При обычной работе база-эмиттер соединение является смещен в прямом направлении, что означает, что сторона перехода, легированная p-примесью, имеет более положительный потенциал, чем сторона перехода, легированная n-атомом, а переход база-коллектор имеет обратный. Когда прямое смещение приложено к переходу база-эмиттер, равновесие между термически генерируемыми перевозчики и отталкивающее электрическое поле n-легированного эмиттера область истощения беспокоит. Это позволяет термически возбужденным электронам (в NPN; дыркам в PNP) инжектировать из эмиттера в базовую область. Эти электроны размытый через базу из области высокой концентрации около эмиттера в область низкой концентрации около коллектора. Электроны в базе называются миноритарные перевозчики потому что база легированная p-типа, что делает дыры то основной оператор в базе. В устройстве PNP происходит аналогичное поведение, но с дырками в качестве основных носителей тока.

Чтобы свести к минимуму долю перевозчиков, рекомбинировать Прежде чем достичь перехода коллектор-база, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника. Наличие слаболегированной базы обеспечивает низкие скорости рекомбинации. В частности, толщина основания должна быть намного меньше, чем длина диффузии электронов. Переход коллектор-база имеет обратное смещение, и поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но носители, которые вводятся в базу и диффундируют, достигая обедненной области коллектор-база, уносятся в коллектор электрическим полем. в области истощения. Тонкий общий база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер - вот что отличает биполярный транзистор от двух отдельный и встречно смещенные диоды, включенные последовательно.

Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (управление током) или напряжением база-эмиттер (управление напряжением). Эти представления связаны между собой вольт-амперной зависимостью перехода база-эмиттер, которая представляет собой обычную экспоненциальную вольт-амперную кривую для p – n переход (диод).^[3]

Объяснение коллекторного тока - это градиент концентрации неосновных носителей заряда в базовой области.^[3][4][5] Из-за низкоуровневая закачка (в котором избыточных носителей намного меньше, чем у обычных основных носителей) амбиполярный транспорт Скорость (при которой избыточные основные и неосновные носители текут с одинаковой скоростью) в действительности определяется избыточными неосновными носителями.

Подробно модели транзисторов действия транзисторов, таких как Модель Гаммеля – Пуна, явным образом учесть распределение этого заряда для более точного объяснения поведения транзистора.^[6] Вид управления зарядкой легко обрабатывается фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотоны, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от заряда в базовой области рекомбинации. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на выводах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.

В аналоговая схема В дизайне иногда используется представление текущего элемента управления, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно равен ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$ умножить на базовый ток. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение база-эмиттер приблизительно постоянно, а ток коллектора в β раз больше тока базы. Однако, чтобы точно и надежно спроектировать производственные схемы BJT, регулировка напряжения (например, Эберс – Молл ) требуется модель.^[3] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в Модель Эберса – Молла, проектирование таких схем, как дифференциальные усилители, снова становится в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтение отдается управлению напряжением. Для транслинейные схемы, в котором экспоненциальная ВАХ является ключевым моментом в работе, транзисторы обычно моделируются как источники тока, управляемые напряжением, чьи крутизна пропорциональна их току коллектора. Как правило, анализ схемы на уровне транзистора выполняется с использованием СПЕЦИЯ или аналогичный имитатор аналоговой схемы, поэтому сложность математической модели обычно не имеет большого значения для разработчика, но упрощенное представление характеристик позволяет создавать проекты в соответствии с логическим процессом.

Включение, выключение и задержка хранения

Основная статья: Зажим Бейкера

Биполярные транзисторы, и особенно силовые транзисторы, имеют длительное время хранения базы, когда они находятся в состоянии насыщения; базовое хранилище ограничивает время выключения при переключении приложений. А Зажим Бейкера может предотвратить сильное насыщение транзистора, что снижает количество заряда, хранящегося в базе, и, таким образом, улучшает время переключения.

Характеристики транзистора: альфа (α) и бета (β)

Доля носителей, способных пересечь базу и достичь коллектора, является мерой эффективности BJT. Сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Тонкая и слегка легированная базовая область означает, что большинство неосновных носителей, которые вводятся в базу, будут диффундировать к коллектору, а не рекомбинировать.

В с общим эмиттером текущий прирост представлен β_F или час-параметр час_FE; это приблизительно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области. Обычно оно больше 50 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных приложений. И эффективность инжекции, и рекомбинация в базе уменьшают усиление BJT.

Еще одна полезная характеристика - это общая база текущий прирост, α_F. Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,980 и 0,998. Это меньше единицы из-за рекомбинация носителей заряда когда они пересекают базовый регион.

Альфа и бета связаны следующими идентичностями:

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}},&\beta _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}},\\\alpha _{\text{F}}&={\frac {\beta _{\text{F}}}{1+\beta _{\text{F}}}}&\iff \beta _{\text{F}}&={\frac {\alpha _{\text{F}}}{1-\alpha _{\text{F}}}}.\end{aligned}}}$

Бета - удобный показатель качества для описания характеристик биполярного транзистора, но не является фундаментальным физическим свойством устройства. Биполярные транзисторы можно рассматривать как устройства с управлением по напряжению (в основном ток коллектора контролируется напряжением база-эмиттер; ток базы можно рассматривать как дефект и контролируется характеристиками перехода база-эмиттер и рекомбинацией в базе). Во многих конструкциях предполагается, что бета достаточно высока, чтобы ток базы имел незначительное влияние на схему. В некоторых схемах (как правило, в схемах переключения) подается достаточный базовый ток, так что даже самое низкое значение бета, которое может иметь конкретное устройство, по-прежнему позволяет протекать требуемому току коллектора.

Структура

Упрощенное сечение плоского NPN биполярный переходной транзистор

БЮТ состоит из трех по-разному допированный полупроводниковые области: излучатель регион, база регион и коллекционер область, край. Эти регионы, соответственно, п тип, п тип и п введите PNP-транзистор, и п тип, п тип и п введите NPN-транзистор. Каждая полупроводниковая область подключается к клемме, обозначенной соответствующим образом: излучатель (E), база (Группа коллекционер (С).

В база физически расположен между излучатель и коллекционер и изготовлен из легированного материала с высоким удельным сопротивлением. Коллектор окружает эмиттерную область, что делает практически невозможным для электронов, инжектированных в базовую область, уйти, не будучи собранными, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Поперечное сечение BJT показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Транзистор с биполярным переходом, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в обратном режиме. Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения α и β в обратном режиме намного меньше, чем в прямом режиме; часто α обратной моды ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с коэффициентами легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как разомкнется переход коллектор-база. Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: соотношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.

Матрица высокочастотного NPN-транзистора KSY34. Соединительные провода подключаются к базе и эмиттеру

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, иногда используемые в CMOS процессы иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным действием.

Небольшие изменения в напряжении, приложенном к клеммам база-эмиттер, вызывают ток между излучатель и коллекционер существенно измениться. Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как управляемые напряжением текущие источники, но их проще охарактеризовать как источники тока с регулируемым током или усилители тока из-за низкого импеданса в базе.

Ранние транзисторы были сделаны из германий но большинство современных БЮТ сделаны из кремний. Значительное меньшинство теперь также составляют арсенид галлия, особенно для приложений с очень высокой скоростью (см. HBT ниже).

В биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) - это усовершенствование BJT, которое может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц. Это распространено в современных сверхбыстрых схемах, в основном РФ системы.^[7][8]

Символ для биполярного транзистора NPN с направлением тока

Двумя обычно используемыми HBT являются кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры HBT может использоваться широкий спектр полупроводников. Структуры HBT обычно выращиваются эпитаксия методы как MOCVD и MBE.

Регионы работы

Соединение тип	Применено напряжения	Смещение перехода		Режим
		БЫТЬ	ДО Н.Э
NPN	E	Вперед	Обеспечить регресс	Форвард-активный
	E C	Вперед	Вперед	Насыщенность
	E> B	Обеспечить регресс	Обеспечить регресс	Отрезать
	E> B> C	Обеспечить регресс	Вперед	Обратно-активный
PNP	E	Обеспечить регресс	Вперед	Обратно-активный
	E C	Обеспечить регресс	Обеспечить регресс	Отрезать
	E> B	Вперед	Вперед	Насыщенность
	E> B> C	Вперед	Обеспечить регресс	Форвард-активный

Биполярные транзисторы имеют четыре различные области работы, определяемые смещениями BJT-перехода.

Форвард-активный (или просто активный)

Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор - в обратном. Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером β_F, в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно равен пропорциональный к базовому току, но во много раз больше, для небольших изменений базового тока.

Обратно-активный (или обратно-активный или перевернутый)

Путем изменения условий смещения активной области в прямом направлении биполярный транзистор переходит в режим активности в обратном направлении. В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство BJT предназначены для максимального увеличения тока в прямом активном режиме, коэффициент β_F в инвертированном режиме в несколько раз меньше (в 2–3 раза для обычного германиевого транзистора). Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для отказоустойчивых условий и некоторых типов биполярная логика. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.

Насыщенность

Когда оба перехода смещены в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и способствует высокоточной проводимости от эмиттера к коллектору (или в другом направлении в случае NPN, когда отрицательно заряженные носители текут от эмиттера к коллектору). Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.

Отрезать

В режиме отсечки присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода имеют обратное смещение). Ток очень мал, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.

Лавина область, край

Входные характеристики

выходные характеристики

Входные и выходные характеристики кремниевого транзисторного усилителя с общей базой.

Режимы работы можно описать в терминах приложенных напряжений (это описание относится к транзисторам NPN; полярности обратные для транзисторов PNP):

Форвард-активный

База выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы на ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$).

Насыщенность

База выше эмиттера, но коллектор не выше базы.

Отрезать

База ниже эмиттера, но коллектор выше базы. Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток от коллектора к эмиттеру.

Обратно-активный

База ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.

По смещению перехода: (обратносмещенный переход база-коллектор означает V_{до н.э} <0 для NPN, напротив для PNP)

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются при малых (менее нескольких сотен милливольт) смещениях. Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, поскольку базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; тем не менее прямое смещение достаточно близко к нулю, поэтому ток практически не протекает, поэтому этот конец прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.

Активные транзисторы в схемах

Устройство и использование NPN-транзистора. Стрелка по схеме.

На схеме схематично показан NPN-транзистор, подключенный к двум источникам напряжения. (Такое же описание применимо к PNP-транзистору с обратными направлениями потока тока и приложенного напряжения.) Это приложенное напряжение заставляет нижний P-N-переход смещаться в прямом направлении, позволяя потоку электронов от эмиттера к базе. В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллектором (вызванное V_CE) заставит большинство этих электронов пересечь верхний P-N переход в коллектор, чтобы сформировать ток коллектора. я_C. Остальные электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через соединение с базой, чтобы сформировать ток базы. я_B. Как показано на схеме, ток эмиттера, я_E, - полный ток транзистора, который является суммой других оконечных токов (т. е. я_E = я_B + я_C).

На диаграмме стрелки, представляющие текущую точку в направлении обычный ток - поток электронов идет в направлении, противоположном стрелкам, потому что электроны несут отрицательные электрический заряд. В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется Коэффициент усиления постоянного тока. Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные схемы не зависят от точного значения (например, см. операционный усилитель ). Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$, а величина этого усиления для слабых сигналов обозначается как ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$. То есть, когда происходит небольшое изменение токов и прошло достаточно времени, чтобы новое состояние достигло установившегося состояния. ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$ - отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы. Символ ${\displaystyle \beta }$ используется как для ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$ и ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$.^[9]

Ток эмиттера связан с ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ экспоненциально. В комнатная температура, увеличение ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ примерно на 60 мВ увеличивает ток эмиттера в 10 раз. Поскольку ток базы приблизительно пропорционален токам коллектора и эмиттера, они изменяются одинаково.

История

Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 г.^[10] на Bell Telephone Laboratories от Джон Бардин и Уолтер Браттейн под руководством Уильям Шокли. Версия с переходом, известная как биполярный переходный транзистор (BJT), изобретенная Шокли в 1948 году,^[11] в течение трех десятилетий было предпочтительным устройством в дизайне дискретных и интегральные схемы. В настоящее время использование BJT снизилось в пользу CMOS технологии в проектировании цифровых интегральных схем. Однако случайные низкопроизводительные BJT, присущие КМОП-микросхемам, часто используются как бандгап, кремниевый датчик температуры запрещенной зоны и обрабатывать электростатический разряд.

Германиевые транзисторы

В германий Транзистор был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, но имеет большую тенденцию показывать тепловой разгон.

Ранние методы изготовления

Были разработаны различные методы изготовления биполярных транзисторов.^[12]

• Точечный транзистор - первый транзистор в истории (декабрь 1947 г.), биполярный транзистор, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
  • Точечно-контактный транзистор тетрод - Точечный транзистор с двумя эмиттерами. Он устарел в середине 1950-х годов.
• Переходные транзисторы
  • Транзистор наросшего перехода - первый биполярный соединение транзистор сделан.^[13] Изобретенный Уильям Шокли в Bell Labs 23 июня 1948 г.^[14] Патент подан 26 июня 1948 г.
  • Транзистор с переходом из сплава - валики сплава эмиттера и коллектора сплавлены с основанием. Разработано в General Electric и RCA^[15] в 1951 г.
    • Транзистор из микролегированного сплава (MAT) - быстродействующий тип легкосплавного транзистора. Разработано в Philco.^[16]
    • Диффузный транзистор из микролегированного сплава (MADT) - быстродействующий тип легкосплавного транзистора, более быстрый, чем MAT, a транзистор с диффузной базой. Разработано в Philco.
    • Пост-сплавный диффузионный транзистор (PADT) - быстродействующий тип легкосплавного транзистора, более быстрый, чем MAT, a транзистор с диффузной базой. Разработано в Philips.
  • Тетрод транзистор - быстродействующий вариант транзистора с наросшим переходом^[17] или сплавный транзистор^[18] с двумя подключениями к базе.
  • Транзистор с поверхностным барьером - быстродействующий металл-барьерный переходной транзистор. Разработано в Philco^[19] в 1953 г.^[20]
  • Транзистор дрейфового поля - быстродействующий биполярный переходной транзистор. Изобретенный Герберт Кремер^[21][22] в Центральном бюро телекоммуникационных технологий Немецкой почтовой службы в 1953 году.
  • Spacistor - около 1957 г.
  • Диффузионный транзистор - биполярный переходной транзистор современного типа. Прототипы^[23] разработан в Bell Labs в 1954 году.
    • Транзистор с диффузной базой - первая реализация диффузионного транзистора.
    • Меза-транзистор - разработан в Инструменты Техаса в 1957 г.
    • Планарный транзистор - биполярный переходной транзистор, из которого производились массовые монолитные интегральные схемы возможное. Разработан Жан Хорни^[24] в Fairchild в 1959 г.
  • Эпитаксиальный транзистор^[25] - биполярный переходной транзистор, изготовленный методом осаждения из паровой фазы. Увидеть эпитаксия. Позволяет очень точно контролировать уровни и градиенты допинга.

Теория и моделирование

Ленточная диаграмма для транзистора NPN в состоянии равновесия

Ленточная диаграмма для NPN-транзистора в активном режиме, показывая инжекцию электронов от эмиттера к базе и их выброс в коллектор

Транзисторы можно рассматривать как два диода (P – N переходы ) разделяют общий регион, через который могут перемещаться неосновные перевозчики. PNP BJT будет работать как два диода с общей катодной областью N-типа, а NPN как два диода с общей анодной областью P-типа. Соединение двух диодов с помощью проводов не приведет к образованию транзистора, поскольку неосновные носители не смогут попасть от одного P – N перехода к другому через провод.

Оба типа BJT функционируют, позволяя небольшому входному току на базу управлять усиленным выходным сигналом коллектора. В результате транзистор является хорошим переключателем, управляемым его базовым входом. BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может умножить слабый входной сигнал примерно в 100 раз по сравнению с его исходной силой. Сети транзисторов используются для создания мощных усилителей с множеством различных применений. В приведенном ниже обсуждении основное внимание уделяется биполярному транзистору NPN. В NPN-транзисторе в так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ и напряжение коллектор – база ${\displaystyle V_{\text{CB}}}$ положительны, смещают в прямом направлении переход эмиттер-база и смещают в обратном направлении переход коллектор-база. В активном режиме работы электроны инжектируются из области эмиттера n-типа с прямым смещением в базу p-типа, где они диффундируют как неосновные носители к коллектору n-типа с обратным смещением и уносятся электрическим полем в обратносмещенный переход коллектор – база. Рисунок, описывающий прямое и обратное смещение, см. полупроводниковые диоды.

Модели с большим сигналом

В 1954 г. Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представил свои математическая модель транзисторных токов:^[26]

Модель Эберса – Молла

Модель Эберса – Молла для NPN-транзистора.^[27] я_B, я_C и я_E - токи базы, коллектора и эмиттера; я_{компакт диск} и я_ED - токи коллекторного и эмиттерного диодов; α_F и α_р - усиление прямого и обратного тока с общей базой.

Модель Эберса – Молла для транзистора PNP

Приближенная модель Эберса – Молла для NPN-транзистора в прямом активном режиме. Коллекторный диод имеет обратное смещение, поэтому я_{компакт диск} практически ноль. Большая часть тока эмиттерного диода (α_F почти 1) выводится из коллектора, обеспечивая усиление тока базы.

Постоянный ток эмиттера и коллектора в активном режиме хорошо моделируется приближением к модели Эберса – Молла:

${\displaystyle {\begin{aligned}I_{\text{E}}&=I_{\text{ES}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\\I_{\text{C}}&=\alpha _{\text{F}}I_{\text{E}}\\I_{\text{B}}&=\left(1-\alpha _{\text{F}}\right)I_{\text{E}}\end{aligned}}}$

Базовый внутренний ток в основном обусловлен диффузией (см. Закон Фика ) и

${\displaystyle J_{n\,({\text{base}})}={\frac {1}{W}}qD_{n}n_{bo}e^{\frac {V_{\text{EB}}}{V_{\text{T}}}}}$

где

• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$ это тепловое напряжение ${\displaystyle kT/q}$ (примерно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
• ${\displaystyle I_{\text{E}}}$ ток эмиттера
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$ ток коллектора
• ${\displaystyle \alpha _{\text{F}}}$ - коэффициент усиления прямого тока короткого замыкания с общей базой (от 0,98 до 0,998)
• ${\displaystyle I_{\text{ES}}}$ - обратный ток насыщения диода база-эмиттер (порядка 10⁻¹⁵ до 10⁻¹² амперы)
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ - напряжение база-эмиттер
• ${\displaystyle D_{n}}$ - постоянная диффузии электронов в базе p-типа
• W это базовая ширина

В ${\displaystyle \alpha }$ и вперед ${\displaystyle \beta }$ параметры такие, как описано ранее. Обратный ${\displaystyle \beta }$ иногда включается в модель.

Ниже приведены неаппроксимированные уравнения Эберса – Молла, используемые для описания трех токов в любой рабочей области. Эти уравнения основаны на транспортной модели биполярного переходного транзистора.^[28]

${\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}&=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}}$

где

• ${\displaystyle i_{\text{C}}}$ ток коллектора
• ${\displaystyle i_{\text{B}}}$ это базовый ток
• ${\displaystyle i_{\text{E}}}$ ток эмиттера
• ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$ - усиление прямого тока общего эмиттера (от 20 до 500)
• ${\displaystyle \beta _{\text{R}}}$ - усиление по току обратного общего эмиттера (от 0 до 20)
• ${\displaystyle I_{\text{S}}}$ - обратный ток насыщения (порядка 10⁻¹⁵ до 10⁻¹² амперы)
• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$ это тепловое напряжение (примерно 26 мВ при 300 K ≈ комнатной температуре).
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ - напряжение база-эмиттер
• ${\displaystyle V_{\text{BC}}}$ напряжение база-коллектор

Модуляция ширины базы

Вверху: ширина основания NPN для низкого обратного смещения коллектор – основание; Внизу: меньшая ширина основания NPN для большого обратного смещения коллектор-основание. Хэшированные области истощенные регионы.

Основная статья: Ранний эффект

Поскольку напряжение коллектор – база (${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$) варьируется, область истощения коллектор – база различается по размеру. Увеличение напряжения коллектор-база, например, вызывает большее обратное смещение в переходе коллектор-база, увеличивая ширину обедненной области коллектор-база и уменьшая ширину базы. Такое изменение ширины основания часто называют Ранний эффект после его первооткрывателя Джеймс М. Ранний.

Сужение базовой ширины имеет два последствия:

• Существует меньшая вероятность рекомбинации в «меньшей» базовой области.
• Градиент заряда увеличивается на базе, и, следовательно, ток неосновных носителей, инжектируемый через эмиттерный переход, увеличивается.

Оба фактора увеличивают коллекторный или «выходной» ток транзистора в ответ на увеличение напряжения коллектор-база.

в вперед-активная область, эффект Early изменяет ток коллектора (${\displaystyle i_{\text{C}}}$) и усиление прямого тока общего эмиттера (${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$) как указано:^{[нужна цитата ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\,e^{\frac {v_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}\left(1+{\frac {V_{\text{CE}}}{V_{\text{A}}}}\right)\\\beta _{\text{F}}&=\beta _{{\text{F}}0}\left(1+{\frac {V_{\text{CB}}}{V_{\text{A}}}}\right)\\r_{\text{o}}&={\frac {V_{\text{A}}}{I_{\text{C}}}}\end{aligned}}}$

где:

• ${\displaystyle V_{\text{CE}}}$ - напряжение коллектор-эмиттер
• ${\displaystyle V_{\text{A}}}$ это раннее напряжение (от 15 до 150 В)
• ${\displaystyle \beta _{{\text{F}}0}}$ - усиление прямого тока с общим эмиттером, когда ${\displaystyle V_{\text{CB}}}$ = 0 В
• ${\displaystyle r_{\text{o}}}$ выходной импеданс
• ${\displaystyle I_{\text{C}}}$ ток коллектора

Пробить

Когда напряжение база-коллектор достигает определенного (зависящего от устройства) значения, граница обедненной области база-коллектор пересекает границу обедненной области база-эмиттер. В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет всякий выигрыш.

Модель Гаммеля – Пуна с контролем заряда

В Модель Гаммеля – Пуна^[29] представляет собой подробную модель динамики BJT с контролируемым зарядом, которая была принята и разработана другими разработчиками для более подробного объяснения динамики транзисторов, чем это обычно делается в моделях на основе терминалов.^[30] Эта модель также включает зависимость транзистора ${\displaystyle \beta }$-значения уровней постоянного тока в транзисторе, которые считаются независимыми от тока в модели Эберса – Молла.^[31]

Слабосигнальные модели

Модель Hybrid-pi

Модель Hybrid-pi

Основная статья: гибридная пи модель

Модель гибридного пи - популярная цепь модель, используемая для анализа слабый сигнал и поведение переменного тока биполярного перехода и полевой эффект транзисторы. Иногда его еще называют Джаколетто модель потому что это было введено Л.Дж. Джаколетто в 1969 году. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкости и другие паразитические элементы.

модель h-параметра

Обобщенная h-параметрическая модель NPN BJT.
Заменить Икс с участием е, б или c для топологий CE, CB и CC соответственно.

Другая модель, обычно используемая для анализа схем BJT, - это модель h-параметр модель, тесно связанная с гибридная пи модель и y-параметр двухпортовый, но с использованием входного тока и выходного напряжения в качестве независимых переменных, а не входных и выходных напряжений. Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT, поскольку она легко поддается анализу поведения схемы и может использоваться для разработки дальнейших точных моделей. Как показано, термин, Икс, в модели представляет собой другое отведение BJT в зависимости от используемой топологии. Для режима с общим эмиттером различные символы принимают определенные значения, как:

• Терминал 1, база
• Терминал 2, коллектор
• Вывод 3 (общий), эмиттер; давая Икс быть е
• я_я, базовый ток (я_б)
• я_о, ток коллектора (я_c)
• V_в, напряжение база-эмиттер (V_БЫТЬ)
• V_о, напряжение коллектор-эмиттер (V_CE)

а h-параметры определяются как:

• час_ix = час_т.е. для конфигурации с общим эмиттером яnВходное сопротивление транзистора (соответствует сопротивлению базы р_Пи).
• час_rx = час_{повторно}, а рОбратное передаточное отношение, оно представляет собой зависимость транзистора (вход) я_B–V_БЫТЬ кривая от значения (выход) V_CE. Обычно он очень маленький, и на постоянном токе им часто пренебрегают (принимают равным нулю).
• час_FX = час_fe, "прямой" коэффициент усиления транзистора, иногда пишется час₂₁. Этот параметр в нижнем регистре «fe» означает усиление слабого сигнала (AC) или, чаще, с заглавными буквами для «FE» (указывается как час_FE) для обозначения "большого сигнала" или усиления постоянного тока (β_{ОКРУГ КОЛУМБИЯ} или часто просто β), является одним из основных параметров в таблицах данных, и может быть дан для типичного тока коллектора и напряжения или нанесен на график как функция тока коллектора. См. ниже.
• час_бык = 1/час_э, выходное сопротивление транзистора. Параметр час_э обычно соответствует выходному сопротивлению биполярного транзистора и должен быть инвертирован, чтобы преобразовать его в импеданс.

Как показано, h-параметры имеют нижние индексы и, следовательно, обозначают условия переменного тока или анализ. Для условий постоянного тока они указываются в верхнем регистре. Для топологии CE обычно используется приближенная модель h-параметра, которая дополнительно упрощает анализ схемы. Для этого час_э и час_{повторно} параметрами пренебрегают (то есть устанавливаются на бесконечность и ноль соответственно). Показанная модель h-параметра подходит для низкочастотного анализа слабого сигнала. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

Этимология h_FE

В час ссылается на то, что это h-параметр, набор параметров, названных по их происхождению в часгибридная эквивалентная схема модель (см. выше). Как и для всех параметров h, выбор строчных или заглавных букв для букв, следующих за «h», имеет значение; строчные буквы означают параметры «слабого сигнала», то есть наклон конкретной зависимости; заглавные буквы означают "большой сигнал" или ОКРУГ КОЛУМБИЯ значения, соотношение напряжений или токов. В случае очень часто используемых час_FE:

• F из Fусиление прямого тока также называется текущим усилением.
• E относится к транзистору, работающему в общий Eмиттер (CE) конфигурация.

Так ч_FE (или hFE) относится к (общему; постоянному) току коллектора, деленному на ток базы, и является безразмерным. Это параметр, который несколько изменяется в зависимости от тока коллектора, но часто приближается к константе; он обычно указывается при типичном токе и напряжении коллектора или отображается в виде графика как функция тока коллектора.

Если бы в нижнем индексе не использовались заглавные буквы, т.е. если бы он был написан час_fe параметр указывает слабый сигнал (AC ) коэффициент усиления по току, то есть наклон графика зависимости тока коллектора от тока базы в заданной точке, который часто близок к значению hFE, если только частота испытания не высока.

Отраслевые модели

Модель Gummel – Poon SPICE используется часто, но она имеет несколько ограничений. К ним обращаются в различных более продвинутых моделях: Mextram, VBIC, HICUM, Modella.^{[32][33][34][35]}

Приложения

BJT остается устройством, которое выделяется в некоторых приложениях, таких как проектирование дискретных схем, из-за очень широкого выбора доступных типов BJT и из-за его высокой крутизна и выходное сопротивление по сравнению с МОП-транзисторы.

BJT также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для очень высокочастотный приложения, такие как радиочастота схемы для беспроводных систем.

Быстрая цифровая логика

Эмиттерная логика (ECL) использовать BJT.

Биполярные транзисторы могут быть объединены с полевыми МОП-транзисторами в интегральной схеме с помощью BiCMOS процесс изготовления полупроводниковых пластин для создания схем, в которых используются преимущества обоих типов транзисторов.

Усилители

Основная статья: Электронный усилитель

В параметры транзистора α и β характеризует текущий прирост БЮТ. Именно это усиление позволяет использовать BJT в качестве строительных блоков электронных усилителей. Три основных топологии усилителя BJT:

• Общий эмиттер
• Общая база
• Общий коллектор

Датчики температуры

Основная статья: Кремниевый датчик температуры запрещенной зоны

Из-за известной зависимости напряжения перехода база-эмиттер от температуры и тока в прямом направлении, BJT может использоваться для измерения температуры путем вычитания двух напряжений при двух разных токах смещения в известном соотношении.^[36]

Логарифмические преобразователи

Поскольку напряжение база-эмиттер изменяется как логарифм токов база-эмиттер и коллектор-эмиттер, BJT также может использоваться для вычисления логарифмы и антилогарифмы. Диод также может выполнять эти нелинейные функции, но транзистор обеспечивает большую гибкость схемы.

Уязвимости

Воздействие на транзистор ионизирующее излучение причины радиационное повреждение. Излучение вызывает накопление дефектов в основной области, которые действуют как центры рекомбинации. Результирующее сокращение срока службы неосновных носителей вызывает постепенную потерю усиления транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные характеристики», включая номинальная мощность (в основном ограничивается самонагревом), максимальные токи коллектора и базы (как постоянные / постоянные, так и пиковые), и напряжение пробоя рейтинги, выше которых устройство может выйти из строя или, по крайней мере, работать плохо.

В дополнение к нормальным номинальным характеристикам устройства, силовые BJT подвержены режиму отказа, который называется вторичная поломка, в котором чрезмерный ток и нормальные дефекты в кремниевом кристалле приводят к тому, что части кремния внутри устройства становятся непропорционально более горячими, чем другие. Удельное электрическое сопротивление легированного кремния, как и других полупроводников, имеет отрицательное значение. температурный коэффициент, что означает, что он проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть кристалла проводит наибольший ток, вызывая увеличение его проводимости, что затем заставляет его снова становиться все более горячим, пока устройство не выйдет из строя изнутри. В тепловой разгон процесс, связанный с вторичным пробоем, после запуска происходит почти мгновенно и может катастрофически повредить корпус транзистора.

Если переход эмиттер-база обратно смещен в лавина или Зинер режим и заряды протекают в течение короткого периода времени, текущий коэффициент усиления BJT будет постоянно ухудшаться.

Смотрите также

• Электронный портал

• МОП-транзистор
• Смещение биполярного транзистора
• Гуммель сюжет
• Биполярный транзистор с изолированным затвором
• Биполярный транзистор с гетеропереходом

Заметки

1. Некоторые металлы, такие как алюминий имеют значительные полосы отверстий.^[1]
2. Увидеть точечный транзистор за историческое происхождение этих имен.

использованная литература

1. Эшкрофт и Мермин (1976). Физика твердого тела (1-е изд.). Холт, Райнхарт и Уинстон. стр.299–302. ISBN  978-0030839931.
2. Ченмин Кальвин Ху (2010). Современные полупроводниковые приборы для интегральных схем.
3. Пол Горовиц и Winfield Hill (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-37095-0.
4. Цзюнь Цэй Лиу и Цзянь С. Юань (1998). Физика и моделирование полупроводниковых устройств. Springer. ISBN  978-0-306-45724-1.
5. General Electric (1962). Руководство по транзистору (6-е изд.). п. 12. Bibcode:1964trma.book ..... C. «Если при анализе транзистора использовать принцип нейтральности пространственного заряда, очевидно, что ток коллектора регулируется с помощью положительного заряда (концентрации дырок) в области базы. ... Когда транзистор используется в более высоких частотах, основным ограничением является время, необходимое несущим для распространения через базовую область ... »(то же самое в 4-й и 5-й редакциях).
6. Паоло Антонетти и Джузеппе Массобрио (1993). Моделирование полупроводниковых устройств с помощью Spice. McGraw – Hill Professional. ISBN  978-0-07-134955-0.
7. Morgan, D.V .; Уильямс, Робин Х., ред. (1991). Физика и технология устройств на гетеропереходе. Лондон: Институт инженеров-электриков (Peter Peregrinus Ltd.). ISBN  978-0-86341-204-2.
8. Питер Эшберн (2003). SiGe-гетеропереходные биполярные транзисторы. Нью-Йорк: Вили. Глава 10. ISBN  978-0-470-84838-8.
9. Пол Горовиц и Winfield Hill (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. стр.62–66. ISBN  978-0-521-37095-0.
10. «1947: изобретение точечного транзистора - кремниевый двигатель - музей истории компьютеров». Получено 10 августа, 2016.
11. "1948: Концепция переходного транзистора - Кремниевый двигатель - Музей истории компьютеров". Получено 10 августа, 2016.
12. Третий пример - появление твердого тела В архиве 27 сентября 2007 г. Wayback Machine (PDF)
13. Музей транзисторов, Историческая фотогалерея транзисторов, Bell Labs Type M1752
14. Моррис, Питер Робин (1990). «4.2». История мировой полупроводниковой промышленности. Серия IEE «История технологий» 12. Лондон: Peter Peregrinus Ltd. 29. ISBN  978-0-86341-227-1.
15. "Фотогалерея музея транзисторов RCA TA153". Получено 10 августа, 2016.
16. Справочник по высокоскоростным переключающим транзисторам (2-е изд.). Motorola. 1963. с. 17.[1].
17. Музей транзисторов, Фотогалерея исторических транзисторов, Western Electric 3N22.
18. Мопен, Дж. (1957). «Тетрод силовой транзистор». IRE-транзакции на электронных устройствах. 4 (1): 1–5. Bibcode:1957 ГОДА .... 4 .... 1М. Дои:10.1109 / T-ED.1957.14192. S2CID  51668235.
19. "Фотогалерея музея транзисторов Philco A01 Германиевый поверхностный барьерный транзистор". Получено 10 августа, 2016.
20. "Музей транзисторов Фотогалерея Германиевый поверхностный барьерный транзистор". Получено 10 августа, 2016.
21. Brar, B .; Sullivan, G.J .; Асбек, П. (2001). «Биполярные транзисторы Херба». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 48 (11): 2473–2476. Bibcode:2001ITED ... 48.2473B. Дои:10.1109/16.960370.
22. Bullis, W.M .; Рунян, W.R. (1967). «Влияние изменений подвижности и срока службы на эффекты дрейфового поля в устройствах с кремниевым переходом». Транзакции IEEE на электронных устройствах. 14 (2): 75–81. Bibcode:1967ITED ... 14 ... 75B. Дои:10.1109 / T-ED.1967.15902.
23. "Музей транзисторов Фотогалерея Bell Labs Prototype Diffused Base Germanium Silicon Transistor". Получено 10 августа, 2016.
24. "Музей транзисторов Фотогалерея Ранний кремниевый планарный транзистор Fairchild 2N1613". Получено 10 августа, 2016.
25. «1960: процесс эпитаксиального осаждения улучшает характеристики транзистора - Кремниевый двигатель - Музей истории компьютеров». Получено 10 августа, 2016.
26. Ebers, J .; Молл, Дж. (1954). «Поведение больших сигналов переходных транзисторов». Труды IRE. 42 (12): 1761–1772. Дои:10.1109 / jrproc.1954.274797. S2CID  51672011.
27. Адель С. Седра и Кеннет С. Смит (1987). Микроэлектронные схемы, второе изд.. п.903. ISBN  978-0-03-007328-1.
28. ТАК КАК. Седра и К. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. Уравнения. 4.103–4.110, с. 305. ISBN  978-0-19-514251-8.
29. Gummel, H.K .; Пун, Х.С. (1970). «Интегральная модель управления зарядом биполярных транзисторов». Технический журнал Bell System. 49 (5): 827–852. Дои:10.1002 / j.1538-7305.1970.tb01803.x.
30. «Биполярные переходные транзисторы». Получено 10 августа, 2016.
31. ТАК КАК. Седра и К. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. п.509. ISBN  978-0-19-514251-8.
32. http://www.silvaco.com/content/kbase/smartspice_device_models.pdf
33. Геннадий Гильденблат, изд. (2010). Компактное моделирование: принципы, методы и приложения. Springer Science & Business Media. Часть II: Компактные модели биполярных переходных транзисторов, стр. 167-267, подробно рассматривают Mextram и HiCuM. ISBN  978-90-481-8614-3.
34. Михаэль Шретер (2010). Компактное иерархическое моделирование биполярных транзисторов с помощью Hicum. World Scientific. ISBN  978-981-4273-21-3.
35. «Компактные модели для биполярных транзисторов, Беркнер (Архивная копия)» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-01-16. Получено 2015-01-16.
36. «Датчики температуры IC находят горячие точки - Рекомендации по применению - Максим». maxim-ic.com. 21 февраля 2002 г.. Получено 10 августа, 2016.

внешние ссылки