Биполярный транзистор

Основные параметры полевых транзисторов

Крутизна входной характеристики S или проводимость прямой передачи тока Y₂₁ указывает, на сколько миллиампер изменяется ток канала при изменении входного напряжения между затвором и истоком на 1 В. Поэтому значение крутизны входной характеристики определяется в мА/В, так же как и крутизна характеристики радиоламп.

Современные полевые транзисторы имеют крутизну от десятых долей до десятков и даже сотен миллиампер на вольт. Очевидно, что чем больше крутизна, тем большее усиление может дать полевой транзистор. Но большим значениям крутизны соответствует большой ток канала.

Поэтому-на практике обычно выбирают такой ток канала, при котором, о одной стороны, достигается требуемое усиление, а с другой — обеспечивается необходимая экономичность в расходе тока.

Частотные свойства полевого транзистора, так же как и биполярного, характеризуются значением предельной частоты. Полевые транзисторы тоже делят на низкочастотные, среднечастотные и высокочастотные, и также для получения большого усиления максимальная частота сигнала должна быть по крайней мере в 10…20 раз меньше предельной частоты транзистора.

Максимальная допустимая постоянная рассеиваемая мощность полевого транзистора определяется точно так же, как и для биполярного. Промышленность выпускает полевые транзисторы малой, средней и большой мощности.

Для нормальной работы полевого транзистора на его электродах должно действовать постоянное напряжение начального смещения. Полярность напряжения смещения определяется типом канала (n или р), а значение этого напряжения — конкретным типом транзистора.

Здесь следует указать, что среди полевых транзисторов значительно больше разнообразие конструкций кристалла, чем среди биполярных. Наибольшее распространение в любительских конструкциях и в изделиях промышленного производства получили полевые транзисторы с так называемым встроенным каналом и р-n переходом.

Они неприхотливы в эксплуатации, работают в широких частотных пределах, обладают высоким входным сопротивлением, достигающим на низкой частоте нескольких мегаом, а на средней и высокой частотах — нескольких десятков или сотен килоом в зависимости от серии.

Для сравнения укажем, что биполярные транзисторы имеют значительно меньшее входное сопротивление, обычно близкое к 1…2 кОм, и лишь ступени на составном транзисторе могут иметь большее входное сопротивление. В этом со-состоит большое преимущество полевых транзисторов перед биполярными.

Рис. 2

На рис. 2 показаны условные обозначения полевых транзисторов со встроенным каналом и р-n переходом, а также указаны и типовые значения напряжения смещения. Выводы обозначены в соответствии с первыми буквами названий электродов.

Характерно, что для транзисторов с р-каналом напряжение на стоке относительно истока должно быть отрицательным, а на затворе относительно истока — положительным, а для транзистора с n-каналом — наоборот.

В промышленной аппаратуре и реже в радиолюбительской находят также применение полевые транзисторы с изолированным затвором. Такие транзисторы имеют еще более высокое входное сопротивление, могут работать на очень высоких частотах. Но у них есть существенный недостаток — низкая электрическая прочность изолированного затвора.

Для его пробоя и выхода транзистора из строя вполне достаточно даже слабого заряда статического электричества, который всегда есть на теле человека, на одежде, на инструменте.

По этой причине выводы полевых транзисторов с изолированным затвором при хранении следует связывать вместе мягкой голой проволокой, при монтаже транзисторов руки и инструменты нужно «заземлять», используют и другие защитные мероприятия.

Литература: Васильев В.А. Приемники начинающего радиолюбителя (МРБ 1072).

Особенности применения биполярных транзисторов в схемах

Главной бедой транзисторной схемотехники является то, что ей предшествовала ламповая. Большинство схематических решений, которые сейчас применяются, заимствованы из того периода и адаптированы под особенности транзисторов. Однако при всей своей кажущейся схожести, на самом деле электронная лампа и транзистор — приборы совершенно разные. У электронной лампы ток выходной цепи регулируется напряжением во входной, а у транзистора — током во входной цепи. Это отличие — принципиальное для схемотехники.

Попытка адаптировать решения для электронных ламп под транзисторы обычно сводит на нет все их преимущества. Получается на корове седло. Пересмотр многих схемных решений, создание именно транзисторных схем во многих областях еще ждет своего часа.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Еще статьи

Проверка биполярного, полевого транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Провери…
Как проверить исправность биполярного и полевого транзисторов. Методика испытани…

Транзисторный силовой ключ. Биполярный транзистор. Ключевой режим. Рас…
Биполярный транзистор в ключевом режиме. Схема. Расчет….

Применение полевых транзисторов, МОП, FET, MOSFET. Использование. Схем…
Типичные схемы с полевыми транзисторами. Применение МОП….

Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники….
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы….

Транзисторы КТ503, 2Т503. Справочник, справочные данные, параметры, цо…
Характеристики и применение биполярных транзисторов КТ503 (КТ503А, КТ503Б, КТ503…

ШИМ, PWM контроллер. Схема. Микросхема. Принцип работы. Описание, выво…
ШИМ контроллер описание принципа работы….

Стабилизатор тока. Источник, генератор. Стабилизировать. Схема, констр…
Устройство и принцип действия источника стабильного тока.
…

Акустическая система, акустика. Качество звукоусиливающей, звукоусилит…
Акустическая система и качество усилителей звука. Элементная база усилительной а…

История появления транзисторов

rcl-radio.ruМалогабаритный ИИП 24Вт

Для того, чтобы понять важность данного комплектующего изделия, нужно обратиться к истории и узнать об этапах развития транзистора. Первый биполярный аналог был представлен в 1947 году американским инженером Уильямом Шокли и это был точечный транзистор

Спустя несколько лет, было выпущено несколько разновидностей транзистора, изготовленных из различных материалов (германий, сплавной и т.п.). И к 1958 году был изобретен кремниевый транзистор, а чуть позже был представлен планарный кремниевый транзистор, прототипы которого используются и в наши дни. За разработку транзистора, У. Шокли наградили Нобелевской премией по физике, что по сути является наивысшим признанием среди ученых

Первый биполярный аналог был представлен в 1947 году американским инженером Уильямом Шокли и это был точечный транзистор. Спустя несколько лет, было выпущено несколько разновидностей транзистора, изготовленных из различных материалов (германий, сплавной и т.п.). И к 1958 году был изобретен кремниевый транзистор, а чуть позже был представлен планарный кремниевый транзистор, прототипы которого используются и в наши дни. За разработку транзистора, У. Шокли наградили Нобелевской премией по физике, что по сути является наивысшим признанием среди ученых.

Что же касается полевых транзисторов, то предметные разработки были представлены еще в 20-х года ХХ века, но первый патент был выдан в 1934 году немецкому разработчику Оскару Хайлу.

Причины первичной разработки полевого транзистора обусловлена тем фактором, что для работы применяется электростатический эффект поля, что в значительной степени проще. Однако, первый образец полевого транзистора появился на свет только в шестидесятых годах. В наши дни он широко применяется в различных сферах деятельности, включая отрасль информационных технологий.

Транзисторы, по своей природе, были призваны заменить лампы. После появления данного изобретения, в мире электроники произошел настоящий «Бум» и отрасль с каждым днем демонстрировала все новые сложные микросхемы. Следует отметить, что полевой транзистор используется преимущественно в цифровых технологиях, в то время, как кремниевые применяются в аналоговых разработках.

Для того, чтобы разобраться в устройстве и принципе работы кремниевых транзисторов, рекомендуем прочесть отдельную статью.

Режимы функционирования устройства

На этом этапе времени выделяют следующие режимы работы биполярного транзистора:

1. Активный инверсный режим. В этом случае открыт переход между базовым и коллекторным слоями, а переход между базой и эммитером закрыт. Усилительные свойства в данном режиме очень плохие, поэтому в таком состоянии транзисторы используют в редчайших ситуациях.
2. Насыщение. Оба вышеуказанных перехода находятся в открытом состоянии. В результате этого элементы коллектора и эммитера, которые содержат в себе заряд, перемещаются в базовый слой, где происходит их активная рекомбинация с основными элементами базы. Из-за чрезмерного количества зарядов происходит снижение сопротивляемости базы, наблюдается уменьшение p — n переходов. В режиме насыщения, цепь транзистора имеет вид короткозамкнутой, а данный элемент представлен в роли эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода в биполярном транзисторе закрыты, соответственно, происходит прекращение тока основных носителей заряда между коллекторным и эммитерным слоями. Потоки второстепенных зарядов способны только создавать неуправляемые и малые токи. В результате скудности базового слоя и перемещения носителей зарядов сопротивление вышеуказанных токов в значительной мере возрастает. Из-за подобной работы достаточно часто бытует мнение, что устройство, работающее в таком режиме, являет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим. В данном режиме базовый слой прямо или с помощью малого сопротивления замыкается с коллекторным слоем. В этом случае, в цепь коллектора или эммитера необходимо включить резистор, который через транзистор начинает задавать ток. В результате такой работы происходит образование эквивалента схемы диода, которая имеет последовательно включённое сопротивление. В подобном состоянии устройства схема способна работать при различных температурных режимах и при разнообразных параметрах транзистора.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

• Коллектор (collector) — на него подаётся высокое напряжение, которым хочется управлять
• База (base) — через неё подаётся небольшой ток, чтобы разблокировать большой; база заземляется, чтобы заблокировать его
• Эмиттер (emitter) — через него проходит ток с коллектора и базы, когда транзистор «открыт»

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe
также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер
способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит
через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент,
который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас».
Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные
10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на
контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву
и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит
из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав
кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive —
с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N.
PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется,
когда через неё идёт ток.

Расчет входного тока базы Ib

Теперь
посчитаем ток базы I_b.
Поскольку мы имеем дело с переменным
напряжением, нужно посчитать два значения
тока – при максимальном напряжении
(V_max)
и минимальном (V_min).
Назовем эти значения тока соответственно
— I_bmax и
I_bmin.

Также,
для того чтобы посчитать ток базы,
необходимо знать напряжение база-эмиттер
V_BE.
Между базой и эмиттером располагается
один PN-переход. Получается, что ток базы
«встречает» на своем пути полупроводниковый
диод. Напряжение, при котором
полупроводниковый диод начинает
проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться
в подробности вольт-амперных
характеристик диода,
и для простоты расчетов возьмем
приближенную модель, согласно которой
напряжение на проводящем ток диоде
всегда 0.6V. Значит, напряжение между
базой и эмиттером V_BE =
0.6V. А поскольку эмиттер подключен к
земле (V_E =
0), то напряжение от базы до земли тоже
0.6V (V_B =
0.6V).

Посчитаем
I_bmax и
I_bmin с
помощью закона Ома:

МДП-транзисторы

В МДП-структурах затвор надежно изолирован от канала, управление происходит полностью за счет воздействия поля. Изоляция ведётся за счет оксида кремния или нитрида. Именно эти покрытия проще нанести на поверхности кристалла. Примечательно, что в этом случае также имеются переходы металл-полупроводник в районе истока и стока, как и в любом полярном транзисторе. Об этом факте забывают многие авторы, либо упоминают вскользь путем применения загадочного словосочетания омические контакты.

В теме про диод Шоттки поднимался этот вопрос. Не всегда на стыке металла и полупроводника возникает барьер. В некоторых случаях контакт омический. Это зависит по большей части от особенностей технологической обработки и геометрических размеров. Технические характеристики реальных приборов сильно зависят от различных дефектов оксидного (нитридного) слоя. Вот некоторые:

1. Несовершенство кристаллической решетки в поверхностной области обусловлено разорванными связями на границе смены материалов. Влияние оказывают как свободные атомы полупроводника, там и примесей наподобие кислорода, который имеется в любом случае. Например, при использовании методов эпитаксии. В результате появляются энергетические уровни, лежащие в глубине запрещенной зоны.
2. На границе оксида и полупроводника (толщиной 3 нм) образуется избыточный заряд, природа которого на сегодняшний день еще не объяснена. Предположительно, роль играют положительные свободные места (дырки) дефектных атомов самого полупроводника и кислорода.
3. Дрейф ионизированных атомов натрия, калия и других щелочных металлов происходит при низких напряжениях на электроде. Это увеличивает заряд, скопившийся на границе слоев. Для блокировки этого эффекта в оксиде кремния используют окись фосфора (ангидрид).

Объемный положительный заряд в оксиде влияет на значение порогового напряжения, при котором отпирается канал. Параметр обусловливает скорость переключения и определяет ток утечки (ниже порога). Вдобавок, на срабатывание влияют материал затвора, толщина оксидного слоя, концентрация примесей. Таким образом, результат опять сводится к технологии. Чтобы получить заданный режим, подбирают материалы, геометрические размеры, процесс изготовления с пониженными температурами. Отдельные приемы позволят также уменьшить количество дефектов, что благоприятно сказывается на снижении паразитного заряда.

1. Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Биполярный
транзистор представляет собой совокупность
двух, встречновключенных взаимодействующих
между собой p-n-переходов, которые
расположены на расстоянии, меньшем
диффузионной длины носителей.

Транзистор состоит из трех полупроводниковых
областей с чередующимися типами
проводимости. Различают два типа
биполярных транзисторов n-p-n и p-n-p (рис.
2.1-2.4).

Полупроводниковые области с различным
типом проводимости называются
соответственно эмиттером, базой,
коллектором. Они разделены двумя
взаимодействующими p-n-переходами
эмиттерным-1 и коллекторным-2 (рис. 2.1). К
областям эмиттера, базы и коллектора
создаются омические контакты и внешние
выводы.

Принцип действия
транзисторов n-p-n и p-n-p типов одинаков.
Рассмотрим работу транзисторов на
примере транзистора n-p-n типа,
воспользовавшись одномерной моделью,
в которой p-n-переходы считаются плоскими,
а носители движутся только в одном
направлении.

Рассмотрим энергетическую диаграмму
транзистора n-p-n типа в состоянии
равновесия. Рис. 2.5 уровень Ферми
одинаков для всех областей структуры.
В p-n-переходе эмиттер-база образуется
потенциальный барьер qU_к1,
а в p-n-переходе база-коллекторqU_к2.
Энергетические зоны в базе искривлены,
так как в большенстве случаев
концентрация акцепторов у границы базы
с эмиттерным переходом выше, чем у
границы с коллекторным. В результате
появляется внутреннее поле в базе,
ускоряющее электроны движущиеся из
эмиттера в коллектор.

На рис. 2.5,б показана зонная диаграмма
n-p-n транзистора в активном режиме. Схема
включения транзистора приведена на
рис. 2.6. На переход эмиттер-база подается
прямое смещение, а на переход база-коллектор
— обратное.

Потенциальный барьер перехода эмиттер-база
снижается на значение прямого напряжения
и становится равным q(U_K1-U_ЭБ).
При этом электроны

инжектируются из эмиттера в базу. Для
обеспечения максимальной односторонней
инжекции электронов в базу, концентрацию
доноров в эмиттере делают значительно
больше концентрации акцепторов в базе
N_ДЭ>>N_АБ.

Электроны инжектированные в базу
двигаются к коллектору в результате
диффузии и дрейфа.

Диффузия связана с повышением концентрации
электронов в базе у эмиттерного перехода,
тогда как у коллекторного перехода
концентрация электронов уменьшается
вследствии затягивания их полем в
p-n-переход база-коллектор.

Поскольку толщина базы мала по сравнению
с диффузионной длиной электронов, то
практически все электроны доходят до
коллекторного перехода и лишь
незначительное их количество рекомбинирует.
Коллектор собирает электроны
инжектированные в базу.

В активном режиме:

I_Э=I_Б+I_К, (2.1.1)

I_КI_Э>>I_Б.(2.1.2)

Коллекторный ток почти не зависит от
напряжения на коллекторе, так как при
любом обратном напряжении все электроны
достигающие в базе перехода база-коллектор,
попадают в его ускоряющее поле и уходят
в коллектор. Дифференциальное
сопротивление обратно-включенного
коллекторного перехода велико.

r_kдиф=.
(2.1.3)

В коллекторную
цепь можно включить достаточно большой
резистор R_Н(рис. 2.6) и коллекторный
ток при этом существенно не изменится.
Дифференциальное сопротивление перехода
эмиттер-база, включенного в прямом
направлении мало.

Если эмиттерный ток изменится на I_Э,
то приблизительно на столько же возрастет
и коллекторный ток

I_Э=I_K.
(2.1.4)

Изменение мощности, потребляемой в
эмиттерной цепи будет много меньше
мощности, выделяемой в нагрузке.

P_вх=I_ЭU_ЭБ=r_Э,
(2.1.5)

Р_вых=I_KU_KБ=R_H.
(2.1.6)

При R_H>r_Энаблюдается усиление мощности сигнала
Р_вых>Р_ВХ.
(2.1.7)

В n-p-n транзисторе главными рабочими
носителями, образующими токи через
p-n-переходы являются электроны. Ток
базы обусловлен дырками, компенсирующими
избыточный заряд электронов базы.
Дырки рекомбинируют с электронами в
базе, а так же инжектируются из базы в
эмиттер. Принцип работы p-n-p транзистора
аналогичен работе n-p-n транзистора.

Транзисторы с неоднородным распределением
примеси в базе называются дрейфовыми,
так как при этом в базе существует
ускоряющее поле.

Транзисторы с однородной базой называются
диффузионными.

Физика работы биполярного транзистора в активном режиме.

Активный режим является основным
режимом работы транзистора. В активном
режиме на эмиттерном переходе прямое
напряжение внешнего источника, то есть
сопротивление эмиттерного перехода
низкое -несколько ом.. На коллекторном
переходе обратное включение внешнего
источника — сопротивление коллекторного
перехода высоко — несколько мегаом.
Благодаря высокому сопротивлению
коллекторного перехода в цепь коллектора
можно включать нагрузку с большим
сопротивлением, а ток коллектора при
этом останется практически неизменным,
так как он все равно будет определяться
очень большой величиной сопротивления
обратно смещенного коллекторного
перехода.

При прямом смещении эмиттерного перехода
его потенциальный барьер понижается и
через переход течет ток основных
носителей заряда -ток эммитера
.
Инжектированные через эмиттерный
переход в базу носители заряда, частично
рекомбинируют в базе. Ввиду малой толщины
базы основная часть инжектированных
носителей заряда диффундирует сквозь
базу и (для базы это неосновные носители)
достигает коллекторного перехода.

В исходном состоянии коллекторный
переход закрыт обратным включением
внешнего источника. Поэтому на коллекторном
переходе существует потенциальный
барьер и соответствующее электрическое
поле. Через коллекторный переход могут
проходить только неосновные носители.
Поэтому инжектированные через эмиттерный
переход носители — для коллекторного
перехода это неосновные носители —
подхватываются полем и проходят через
коллекторный переход, создавая
коллекторный ток
.
Следовательно, коллекторный переход
осуществляет удаление -экстракцию-
неосновных носителей из базовой области.

Те носители, которые не принимают участия
в создании коллекторного тока, а
рекомбинируют в теле базы, создают тем
базовый ток
.

Очевидно, что ток коллектора
меньше тока эмиттера.
Из условия равенства токов в узле (закон
Кирхгофа для токов) следует следующее
равенство:.

Необходимо чтобы ток базы был по
возможности ниже. Обычно ток базы
составляет единицы процентов от величины
тока эмиттера. Это достигается при
изготовлении транзисторов уменьшением
концентрации примесей в базе, уменьшением
толщины базы. При выполнении этих условий
можно считать, что токи эмиттера и
коллектора примерно равны
.

Следовательно ток коллектора может
изменяться от очень малой величины
(практически от нуля), определяемой
обратным током электронно-дырочного
перехода, до значения тока эмиттерного
перехода.

Если ток коллектора возрастает при
неизменном напряжении на коллекторе
(-схема включения с общей базой), то
физически это означает, что сопротивление
коллекторного перехода снижается до
величины того же порядка, что и
сопротивление эмиттерного перехода.
Следовательно, в результате инжекции
носителей из эмиттера происходит
преобразование сопротивления коллектора
(transferresistor- отсюда и название транзистор).

Напряжение на эмиттерном переходе
значительно меньше чем напряжение на
коллекторном переходе ().
Токи коллектора и эмиттера практически
равны. Мощности выделяемые в эмиттерной
цепии коллекторной цепиразличны, причем.
Следовательно, биполярный транзистор
способен усиливать мощность входного
сигнала, то есть является усилительным
прибором.