Биполярный транзистор

коробка с 3 проводами, один с большим кремниевым чипом - остальные подключаются к чипу проводами — 3D-модель корпуса TO-92, обычно используемого для небольших биполярных транзисторов.

Биполярный транзистор ( BJT ) — это тип транзистора , который использует как электроны , так и электронные дырки в качестве носителей заряда . Напротив, униполярный транзистор, такой как полевой транзистор (FET), использует только один вид носителя заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, инжектированному на один из его выводов, управлять гораздо большим током, протекающим между выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению .

BJT используют два p–n-перехода между двумя типами полупроводников , n-типа и p-типа, которые являются областями в одном кристалле материала. Переходы могут быть сделаны несколькими различными способами, такими как изменение легирования полупроводникового материала по мере его выращивания, путем осаждения металлических гранул для формирования сплавных переходов или такими методами, как диффузия легирующих веществ n-типа и p-типа в кристалл. Превосходная предсказуемость и производительность транзисторов с переходом быстро вытеснили исходный транзистор с точечным контактом . Диффузные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральных схем для аналоговых и цифровых функций. Сотни транзисторов с биполярным переходом могут быть сделаны в одной схеме по очень низкой цене.

Интегральные схемы на биполярных транзисторах были основными активными устройствами поколения мэйнфреймов и мини-компьютеров , но большинство компьютерных систем теперь используют интегральные схемы на основе комплементарного металл-оксид-полупроводника ( CMOS ), основанные на полевом транзисторе (FET). Биполярные транзисторы по-прежнему используются для усиления сигналов, коммутации и в интегральных схемах со смешанными сигналами с использованием BiCMOS . Специализированные типы используются для высоковольтных переключателей, для радиочастотных (RF) усилителей или для коммутации больших токов.

Текущие соглашения о направлении

По соглашению направление тока на диаграммах показано как направление, в котором будет двигаться положительный заряд. Это называется условным током . Однако ток в металлических проводниках обычно ^[a] обусловлен потоком электронов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении, противоположном условному току. 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 условном направлении, но метки для движения дырок и электронов показывают их фактическое направление внутри транзистора.

Направление стрелки

Стрелка на символе биполярного транзистора указывает на p–n-переход между базой и эмиттером и указывает направление, в котором течет обычный ток .

Функция

BJT существуют как PNP и NPN типы, основанные на типах легирования трех основных областей терминала. NPN транзистор состоит из двух полупроводниковых переходов, которые совместно используют тонкую p-легированную область, а PNP транзистор состоит из двух полупроводниковых переходов, которые совместно используют тонкую n-легированную область. N-тип означает легированный примесями (такими как фосфор или мышьяк ), которые обеспечивают подвижные электроны, в то время как p-тип означает легированный примесями (такими как бор ), которые обеспечивают дырки, которые легко принимают электроны.

Поток заряда в BJT обусловлен диффузией носителей заряда (электронов и дырок) через соединение между двумя областями с различной концентрацией носителей заряда. Области BJT называются эмиттером , базой и коллектором . ^[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 (обычно в десять раз слабее ^[2] ), чем база. По конструкции большая часть тока коллектора BJT обусловлена потоком носителей заряда, инжектированных из сильно легированного эмиттера в базу, где они являются неосновными носителями (электроны в NPN, дырки в PNP), которые диффундируют к коллектору, поэтому BJT классифицируются как приборы с неосновными носителями .

В типичной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении , что означает, что p-легированная сторона перехода находится под более положительным потенциалом, чем n-легированная сторона, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении . Когда к переходу база-эмиттер приложено прямое смещение, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области эмиттера нарушается . Это позволяет термически возбужденным носителям (электронам в NPN, дыркам в PNP) инжектироваться из эмиттера в базовую область. Эти носители создают диффузионный ток через базу из области высокой концентрации вблизи эмиттера в область низкой концентрации вблизи коллектора.

Чтобы минимизировать долю носителей, которые рекомбинируют до достижения перехода коллектор-база, область базы транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать через нее за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника. Наличие слаболегированной базы гарантирует низкие скорости рекомбинации. В частности, толщина базы должна быть намного меньше длины диффузии носителей. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, и поэтому незначительная инжекция носителей происходит от коллектора к базе, но носители, которые инжектируются в базу из эмиттера и диффундируют, чтобы достичь области истощения коллектор-база, затягиваются в коллектор электрическим полем в области истощения. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер — это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов, соединенных последовательно.

Управление напряжением, током и зарядом

Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как контролируемый током база-эмиттер (управление током) или напряжением база-эмиттер (управление напряжением). Эти представления связаны зависимостью тока от напряжения перехода база-эмиттер, которая является обычной экспоненциальной кривой тока от напряжения перехода ap-n (диода). ^[3]

Объяснением тока коллектора является градиент концентрации неосновных носителей в базовой области. ^[3]^[4]^[5] Из-за низкоуровневой инжекции (при которой избыточных носителей намного меньше, чем обычных основных носителей) скорости амбиполярного переноса (при которых избыточные основные и неосновные носители движутся с одинаковой скоростью) фактически определяются избыточными неосновными носителями.

Подробные модели транзисторов , такие как модель Гуммеля-Пуна , явно учитывают распределение этого заряда, чтобы точнее объяснить поведение транзистора. ^[6] Представление о контроле заряда легко обрабатывает фототранзисторы , где неосновные носители в области базы создаются путем поглощения фотонов , и обрабатывает динамику выключения или времени восстановления, которое зависит от рекомбинации заряда в области базы. Однако, поскольку заряд базы не является сигналом, который виден на клеммах, представления о контроле тока и напряжения обычно используются при проектировании и анализе схем.

В аналоговой схеме иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора приблизительно равен току базы. Некоторые базовые схемы можно спроектировать, предположив, что напряжение база-эмиттер приблизительно постоянно, а ток коллектора равен β, умноженному на ток базы. Однако для точного и надежного проектирования схем на биполярных транзисторах требуется модель управления напряжением (например, модель Эберса–Молла ). ^[3] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризуется таким образом, что транзистор можно моделировать как транскондуктивность, как в модели Эберса–Молла, проектирование таких схем, как дифференциальные усилители, снова становится в основном линейной проблемой, поэтому представление управления напряжением часто оказывается предпочтительным. Для транслинейных схем , в которых экспоненциальная кривая ВАХ является ключевой для работы, транзисторы обычно моделируются как источники тока, управляемые напряжением, транскондуктивность которых пропорциональна их току коллектора. Как правило, анализ схем на уровне транзисторов выполняется с использованием SPICE или сопоставимого симулятора аналоговых схем, поэтому сложность математической модели обычно не представляет особого интереса для проектировщика, но упрощенное представление характеристик позволяет создавать проекты, следуя логическому процессу. $\beta _{\text{F}}$

Задержка включения, выключения и хранения

Биполярные транзисторы, и особенно силовые транзисторы, имеют длительное время хранения базы, когда они доведены до насыщения; хранение базы ограничивает время выключения в коммутационных приложениях. Зажим Бейкера может предотвратить сильное насыщение транзистора, что уменьшает 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 области эмиттера и слабое легирование области базы приводят к тому, что из эмиттера в базу инжектируется гораздо больше электронов, чем дырок из базы в эмиттер. Тонкая и слаболегированная область базы означает, что большинство неосновных носителей, инжектированных в базу, будут диффундировать в коллектор и не рекомбинировать.

Коэффициент усиления тока с общим эмиттером

Коэффициент усиления тока с общим эмиттером представлен $β$ _F или $h$ -параметром $h$ _FE ; он приблизительно равен отношению постоянного тока коллектора к постоянному току базы в области прямого активного тока. (Индекс F используется для указания режима прямого активного тока.) Обычно он больше 50 для транзисторов с малым сигналом, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для приложений высокой мощности. Как эффективность инжекции, так и рекомбинация в базе снижают коэффициент усиления BJT.

Коэффициент усиления тока общей базы

Другой полезной характеристикой является коэффициент усиления тока общей базы , $α$ _F . Коэффициент усиления тока общей базы приблизительно равен коэффициенту усиления тока от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,980 и 0,998. Оно меньше единицы из-за рекомбинации носителей заряда при пересечении ими базовой области.

Альфа и бета связаны следующими тождествами:

{\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 — это удобный показатель качества для описания производительности биполярного транзистора, но не является фундаментальным физическим свойством устройства. Биполярные транзисторы можно считать устройствами, управляемыми напряжением (в основном ток коллектора управляется напряжением база-эмиттер; ток базы можно считать дефектом и управлять им характеристиками перехода база-эмиттер и рекомбинацией в базе). Во многих конструкциях бета предполагается достаточно высокой, чтобы ток базы оказывал незначительное влияние на схему. В некоторых схемах (обычно коммутационных схемах) подается достаточный ток базы, так что даже самое низкое значение бета, которое может иметь конкретное устройство, все равно позволит протекать требуемому току коллектора.

Структура

BJT состоит из трех по-разному легированных полупроводниковых областей: области эмиттера , области базы и области коллектора . Эти области, соответственно, p- типа, n -типа и p- типа в PNP-транзисторе, и n- типа, p -типа и n -типа в NPN-транзисторе. Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, соответствующим образом помеченной: эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).

База физически расположена между эмиттером и коллектором и сделана из слаболегированного материала с высоким сопротивлением. Коллектор окружает область эмиттера, что делает практически невозможным для электронов, инжектированных в область базы, покинуть ее без сбора, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Поперечное сечение биполярного транзистора показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Биполярный транзистор, 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 обратного режима ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь обусловлено коэффициентами легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, в то время как коллектор слабо легирован, что позволяет прикладывать большое обратное напряжение смещения до того, как соединение коллектор-база выйдет из строя. Соединение коллектор-база имеет обратное смещение в нормальном режиме работы. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, заключается в повышении эффективности инжекции эмиттера: отношения носителей, инжектированных эмиттером, к тем, которые инжектированы базой. Для высокого усиления по току большинство носителей, инжектируемых в переход эмиттер-база, должны поступать из эмиттера.

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, иногда используемые в КМОП-технологиях, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным ходом.

Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока между эмиттером и коллектором . Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. Биполярные транзисторы можно рассматривать как источники тока , управляемые напряжением , но их проще характеризовать как источники тока, управляемые током, или усилители тока из-за низкого импеданса на базе.

Ранние транзисторы изготавливались из германия , но большинство современных BJT изготавливаются из кремния . Значительное меньшинство также теперь изготавливается из арсенида галлия , особенно для очень высокоскоростных приложений (см. HBT ниже).

Биполярный транзистор с гетеропереходом ( HBT) является усовершенствованным вариантом BJT, который может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц . Он распространен в современных сверхбыстрых схемах, в основном в радиочастотных системах. ^[7]^[8]

Два наиболее часто используемых HBT — это кремний-германий и алюминий-галлий-арсенид, хотя для структуры HBT может использоваться широкий спектр полупроводников. Структуры HBT обычно выращиваются с помощью эпитаксии , такой как MOCVD и MBE .

Регионы деятельности

Биполярные транзисторы имеют четыре различных рабочих области, определяемых смещениями перехода BJT: ^[9]^[10]

Прямой активный (или просто активный ): Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. Большинство биполярных транзисторов разработаны для обеспечения наибольшего усиления тока общего эмиттера, β _F , в прямом активном режиме. Если это так, ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше для небольших изменений тока базы.
Обратно-активный (или инверсно-активный или инвертированный ): При изменении условий смещения прямой активной области биполярный транзистор переходит в обратный активный режим. В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство BJT разработаны для максимального усиления тока в прямом активном режиме, β _F в инвертированном режиме в несколько раз меньше (в 2–3 раза для обычного германиевого транзистора). Этот режим транзистора используется редко, обычно рассматривается только для отказоустойчивых условий и некоторых типов биполярной логики . Напряжение пробоя обратного смещения на базу может быть на порядок ниже в этой области.
Насыщенность: При прямом смещении обоих переходов BJT находится в режиме насыщения и обеспечивает высокую проводимость тока 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 состоянии отсечки присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень мал, что соответствует логическому "выключению" или открытому переключателю.

Входные и выходные характеристики усилителя на кремниевом транзисторе с общей базой.

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они несколько перекрываются для малых (менее нескольких сотен милливольт) смещений. Например, в типичной конфигурации заземленного эмиттера NPN BJT, используемого в качестве переключателя pulldown в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает обратно смещенный переход, поскольку напряжение базы никогда не опускается ниже земли; тем не менее, прямое смещение достаточно близко к нулю, так что по существу ток не течет, поэтому этот конец прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.

Активные транзисторы в схемах

На схеме показано схематическое изображение NPN-транзистора, подключенного к двум источникам напряжения. (То же описание применимо к PNP-транзистору с обратными направлениями тока и приложенного напряжения.) Это приложенное напряжение приводит к тому, что нижний p–n-переход становится смещенным в прямом направлении, что позволяет электронам течь из эмиттера в базу. В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллектором (вызванное V _CE ), заставит большинство этих электронов пересечь верхний p–n-переход в коллектор, образуя ток коллектора I _C . Оставшиеся электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через базовое соединение, образуя ток базы, I _B . Как показано на схеме, ток эмиттера, I _E , является общим током транзистора, который является суммой других токов выводов, (т. е. I _E = I _B + I _C ).

На схеме стрелки, представляющие ток, указывают в направлении обычного тока — поток электронов направлен в противоположном направлении от стрелок, поскольку электроны переносят отрицательный электрический заряд . В активном режиме отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления постоянного тока . Этот коэффициент усиления обычно составляет 100 или более, но надежные конструкции схем не зависят от точного значения (например, см. операционный усилитель ). Значение этого коэффициента усиления для сигналов постоянного тока обозначается как , а значение этого коэффициента усиления для малых сигналов обозначается как . То есть, когда происходит небольшое изменение токов и прошло достаточно времени для того, чтобы новое условие достигло устойчивого состояния , отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы. Символ используется как для , так и . ^[3]^{: 62–66} $h_{\text{FE}}$ $h_{\text{fe}}$ $h_{\text{fe}}$ $\beta$ $h_{\text{FE}}$ $h_{\text{fe}}$

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

История

Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года ^[11] в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли . Версия с переходом, известная как биполярный переходный транзистор (БПТ), изобретенная Шокли в 1948 году ^[12] , в течение трех десятилетий была устройством выбора при проектировании дискретных и интегральных схем . В настоящее время использование БПТ сократилось в пользу технологии КМОП при проектировании цифровых интегральных схем. Однако побочные низкопроизводительные БПТ, присущие КМОП-ИС, часто используются в качестве опорного напряжения запрещенной зоны , датчика температуры запрещенной зоны кремния и для управления электростатическим разрядом .

Германиевые транзисторы

Германиевый транзистор был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, но имеет большую тенденцию к тепловому разгону . Поскольку германиевые pn-переходы имеют меньшее прямое смещение, чем кремниевые, германиевые транзисторы включаются при более низком напряжении.

Ранние методы производства

Были разработаны различные методы изготовления биполярных транзисторов. ^[13]

Точечный транзистор — первый транзистор, когда-либо созданный (декабрь 1947 г.), биполярный транзистор, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
- Тетрод точечно-контактный транзистор – точечно-контактный транзистор с двумя эмиттерами. Устарел в середине 1950-х годов.
Переходные транзисторы
- Транзистор с выращенным переходом – первый созданный биполярный транзистор . ^[14] Изобретен Уильямом Шокли в Bell Labs 23 июня 1948 года. ^[15] Патент подан 26 июня 1948 года.
- Транзистор со сплавным переходом – сплавные шарики эмиттера и коллектора, припаянные к базе. Разработан в General Electric и RCA ^[16] в 1951 году.
  - Микросплавный транзистор (MAT) – высокоскоростной тип сплавного транзистора. Разработан в Philco . ^[17]
  - Микросплавный диффузный транзистор (MADT) – высокоскоростной тип сплавного транзистора, более быстрый, чем MAT, транзистор с диффузной базой . Разработан в Philco.
  - Пост-сплавной диффузионный транзистор (PADT) – высокоскоростной тип сплавного транзистора, более быстрый, чем MAT, транзистор с диффузной базой. Разработан в Philips .
- Тетродный транзистор – быстродействующий вариант транзистора с выращенным переходом ^[18] или транзистора с сплавным переходом ^[19] с двумя соединениями с базой.
- Поверхностно-барьерный транзистор – высокоскоростной металл-барьерный переходной транзистор. Разработан в Philco ^[20] в 1953 году. ^[21]
- Транзистор дрейфового поля – высокоскоростной биполярный транзистор. Изобретён Гербертом Кремером ^[22]^[23] в Центральном бюро телекоммуникационных технологий Германской почтовой службы в 1953 году.
- Спаксистор – около 1957 года.
- Диффузионный транзистор – современный тип биполярного транзистора. Прототипы ^[24] разработаны в Bell Labs в 1954 году.
  - Транзистор с диффузной базой – первая реализация диффузионного транзистора.
  - Меза-транзистор – разработан в Texas Instruments в 1957 году.
  - Планарный транзистор – биполярный транзистор, который сделал возможным массовое производство монолитных интегральных схем. Разработан Жаном Эрни ^[25] в Fairchild в 1959 году.
- Эпитаксиальный транзистор ^[26] – биполярный транзистор, изготовленный методом осаждения из паровой фазы. См. Эпитаксия . Позволяет очень точно контролировать уровни и градиенты легирования.

Теория и моделирование

BJT можно рассматривать как два диода (p–n-перехода), разделяющих общую область, через которую могут перемещаться неосновные носители заряда. PNP BJT будет функционировать как два диода, разделяющих область катода N-типа, а NPN — как два диода, разделяющих область анода P-типа. Соединение двух диодов проводами не создаст BJT, поскольку неосновные носители заряда не смогут попасть из одного p–n-перехода в другой через провод.

Оба типа BJT функционируют, позволяя небольшому току, поступающему на базу, управлять усиленным выходом коллектора. В результате BJT становится хорошим переключателем, который управляется входом своей базы. BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может умножить слабый входной сигнал примерно в 100 раз по сравнению с его исходной силой. Сети BJT используются для создания мощных усилителей с множеством различных применений.

В обсуждении ниже основное внимание уделяется NPN BJT. В так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер и напряжение коллектор-база положительны, смещают переход эмиттер-база в прямом направлении и смещают переход коллектор-база в обратном направлении. В этом режиме электроны инжектируются из области эмиттера n-типа с прямым смещением в базу p-типа, где они диффундируют как неосновные носители в коллектор n-типа с обратным смещением и уносятся электрическим полем в переходе коллектор-база с обратным смещением. $V_{\text{BE}}$ $V_{\text{CB}}$

Для иллюстрации прямого и обратного смещения см. полупроводниковые диоды .

Модели с большим сигналом

В 1954 году Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель транзисторных токов: ^[27]

Модель Эберса–Молла

Постоянные токи эмиттера и коллектора в активном режиме хорошо моделируются с помощью приближения к модели Эберса–Молла:

{\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}}

Внутренний ток базы в основном обусловлен диффузией (см. закон Фика ) и

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

где

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

Параметры и вперед описаны ранее. Иногда в модель включается обратный. $\alpha$ $\beta$ $\beta$

Ниже приведены неаппроксимированные уравнения Эберса-Молла, используемые для описания трех токов в любой рабочей области. Эти уравнения основаны на транспортной модели для биполярного транзистора. ^[29]

{\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

$i_{\text{C}}$ ток коллектора
$i_{\text{B}}$ это базовый ток
$i_{\text{E}}$ ток эмиттера
$\beta _{\text{F}}$ коэффициент усиления тока в прямом режиме с общим эмиттером (от 20 до 500)
$\beta _{\text{R}}$ коэффициент усиления тока в схеме с общим эмиттером (от 0 до 20)
$I_{\text{S}}$ ^{обратный} ток насыщения ( порядка ^{10−15–10−12} ампер)
$V_{\text{T}}$ — тепловое напряжение (приблизительно 26 мВ при 300 К ≈ комнатной температуре).
$V_{\text{BE}}$ напряжение база-эмиттер
$V_{\text{BC}}$ напряжение база-коллектор

Модуляция ширины баса

При изменении напряжения коллектор–база ( ) изменяется размер области истощения коллектор–база. Например, увеличение напряжения коллектор–база приводит к большему обратному смещению на переходе коллектор–база, увеличивая ширину области истощения коллектор–база и уменьшая ширину базы. Это изменение ширины базы часто называют эффектом Эрли в честь его первооткрывателя Джеймса М. Эрли . $V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}$

Сужение ширины основания имеет два последствия:

Вероятность рекомбинации в «меньшей» базовой области меньше.
Градиент заряда на базе увеличивается, и, следовательно, увеличивается ток неосновных носителей, инжектируемых через эмиттерный переход.

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

Прокол

Когда напряжение база-коллектор достигает определенного (специфического для устройства) значения, граница области истощения база-коллектор встречается с границей области истощения база-эмиттер. В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет весь коэффициент усиления.

Модель контроля заряда Гуммеля-Пуна

Модель Гуммеля–Пуна ^[30] представляет собой подробную модель динамики биполярного плоскостного транзистора с контролируемым зарядом, которая была принята и разработана другими для более подробного объяснения динамики транзистора, чем это обычно делают модели на основе терминалов. ^[31] Эта модель также включает зависимость значений транзистора от уровней постоянного тока в транзисторе, которые в модели Эберса–Молла предполагаются независимыми от тока. ^[32] $\beta$

Модели с малым сигналом

Гибридная пи-модель

Гибридная пи-модель — популярная модель схемы , используемая для анализа поведения биполярных и полевых транзисторов при малых сигналах и переменном токе . Иногда ее также называют моделью Джаколетто , поскольку она была введена Л. Дж. Джаколетто в 1969 году. Модель может быть довольно точной для низкочастотных схем и может быть легко адаптирована для высокочастотных схем с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.

модель h-параметра

Другая модель, обычно используемая для анализа схем BJT, — это модель h-параметров , также известная как гибридная эквивалентная модель, тесно связанная с гибридной пи-моделью и двухпортовой моделью y-параметров , но использующая входной ток и выходное напряжение в качестве независимых переменных, а не входное и выходное напряжения. Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT, поскольку она легко поддается анализу поведения схемы и может использоваться для разработки дополнительных точных моделей. Как показано, термин x в модели представляет собой другой вывод BJT в зависимости от используемой топологии. Для режима с общим эмиттером различные символы принимают определенные значения, такие как:

Терминал 1, база
Терминал 2, коллектор
Клемма 3 (общая), эмиттер; x = e
i _i , базовый ток ( i _b )
i _o , ток коллектора ( i _c )
V _in , напряжение база-эмиттер ( V _BE )
V _o , напряжение коллектор-эмиттер ( V _CE )

а h-параметры определяются как:

h _ix = h _{, т.е.} для схемы с общим эмиттером входное сопротивление транзистора (соответствующее сопротивлению базы r _pi ).
h _rx = h _re , обратное передаточное отношение, оно представляет собой зависимость кривой I _B – V _BE транзистора (вход) от значения (выход) V _CE . Оно обычно очень мало и часто пренебрегается (предполагается равным нулю) при постоянном токе.
h _fx = h _fe , «прямой» коэффициент усиления по току транзистора, иногда пишется h ₂₁ . Этот параметр, с маленькой буквой «fe» для обозначения усиления по малому сигналу (переменного тока), или чаще с заглавными буквами для «FE» (указывается как h _FE ), что означает «большой сигнал» или коэффициент усиления по постоянному току ( β _DC или часто просто β ), является одним из основных параметров в технических описаниях и может быть указан для типичного тока и напряжения коллектора или отображен как функция тока коллектора. См. ниже.
h _ox = 1/ h _oe , выходное сопротивление транзистора. Параметр h _oe обычно соответствует выходной проводимости биполярного транзистора и должен быть инвертирован для преобразования его в сопротивление.

Как показано, h-параметры имеют строчные индексы и, следовательно, обозначают условия или анализ переменного тока. Для условий постоянного тока они указываются заглавными буквами. Для топологии CE обычно используется приближенная модель h-параметров, которая еще больше упрощает анализ схемы. Для этого параметры h _oe и h _re игнорируются (то есть они устанавливаются равными бесконечности и нулю соответственно). Показанная модель h-параметров подходит для низкочастотного анализа с малым сигналом. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

Этимология слова h_ФЭ

Буква h относится к h-параметру, набору параметров, названных по их происхождению в гибридной эквивалентной модели схемы (см. выше). Как и для всех h-параметров, выбор строчных или заглавных букв для букв, следующих за «h», имеет значение; строчные буквы означают параметры «малого сигнала», то есть наклон конкретной зависимости; заглавные буквы подразумевают «большой сигнал» или значения постоянного тока , отношение напряжений или токов. В случае очень часто используемого h _FE :

F — это сокращение от F, сокращение от прямого усиления тока, также называемое усилением тока.
E относится к транзистору, работающему в конфигурации с общим излучателем (CE).

Таким образом, h _FE (или hFE) относится к (общему; постоянному) току коллектора, деленному на ток базы, и является безразмерной величиной. Это параметр, который несколько меняется с током коллектора, но часто аппроксимируется как константа; он обычно указывается при типичном токе коллектора и напряжении или отображается в виде функции тока коллектора.

Если бы в нижнем индексе не использовались заглавные буквы, например, если бы было написано hfe _, этот параметр указывал бы на коэффициент усиления тока малого сигнала ( переменного тока ), то есть на наклон графика зависимости тока коллектора от тока базы в заданной точке, который часто близок к значению hFE, если только частота испытания не высока.

Модели отрасли

Модель Gummel–Poon SPICE часто используется, но она страдает от нескольких ограничений. Например, обратный пробой диода база-эмиттер не охватывается моделью SGP (SPICE Gummel–Poon), как и тепловые эффекты (самонагрев) или квазинасыщение. ^[33] Они были рассмотрены в различных более продвинутых моделях, которые либо фокусируются на конкретных случаях применения (Mextram, HICUM, Modella), либо предназначены для универсального использования (VBIC). ^[34]^[35]^[36]^[37]

Приложения

Биполярный плоскостной транзистор остается устройством, которое отлично подходит для некоторых приложений, таких как проектирование дискретных схем, благодаря очень широкому выбору доступных типов биполярных плоскостных транзисторов, а также благодаря его высокой крутизне и выходному сопротивлению по сравнению с полевыми МОП-транзисторами .

Биполярный транзистор также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для сверхвысокочастотных приложений, таких как радиочастотные схемы для беспроводных систем.

Высокоскоростная цифровая логика

В эмиттерно-связанной логике (ЭСЛ) используются биполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы можно комбинировать с полевыми МОП-транзисторами в интегральной схеме, используя технологию изготовления пластин BiCMOS, чтобы создавать схемы, использующие преимущества обоих типов транзисторов.

Усилители

Параметры транзистора α и β характеризуют коэффициент усиления тока BJT. Именно этот коэффициент усиления позволяет использовать BJT в качестве строительных блоков электронных усилителей. Три основные топологии усилителей BJT:

Датчики температуры

Из-за известной зависимости напряжения перехода база-эмиттер с прямым смещением от температуры и тока биполярный транзистор можно использовать для измерения температуры путем вычитания двух напряжений при двух различных токах смещения в известном соотношении. ^[38]

Логарифмические преобразователи

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

Генераторы лавинных импульсов

Транзисторы могут быть намеренно сделаны с более низким напряжением пробоя коллектор-эмиттер, чем напряжение пробоя коллектор-база. Если переход эмиттер-база смещен в обратном направлении, напряжение коллектор-эмиттер может поддерживаться на уровне чуть ниже пробоя. Как только базовому напряжению позволяют подняться и ток течет, происходит лавинный процесс , и ударная ионизация в области истощения коллектор-база быстро заполняет базу носителями и полностью включает транзистор. Пока импульсы достаточно короткие и редкие, чтобы устройство не было повреждено, этот эффект можно использовать для создания очень крутых падающих фронтов.

Для этого применения созданы специальные лавинные транзисторные приборы.

Уязвимости

Воздействие ионизирующего излучения на транзистор вызывает радиационное повреждение . Радиация вызывает накопление «дефектов» в области базы, которые действуют как центры рекомбинации. Результирующее сокращение времени жизни неосновных носителей вызывает постепенную потерю усиления транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные номинальные характеристики», включая номинальную мощность (в основном ограниченную самонагревом), максимальные токи коллектора и базы (как постоянные, так и пиковые), а также номинальные напряжения пробоя , при превышении которых устройство может выйти из строя или, по крайней мере, работать плохо.

В дополнение к нормальным показателям пробоя устройства, силовые BJT подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоем , при котором чрезмерный ток и нормальные дефекты в кремниевом кристалле приводят к тому, что части кремния внутри устройства становятся непропорционально горячее других. Электрическое сопротивление легированного кремния, как и других полупроводников, имеет отрицательный температурный коэффициент , что означает, что он проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть кристалла проводит наибольший ток, заставляя его проводимость увеличиваться, что затем заставляет его снова постепенно становиться горячее, пока устройство не выйдет из строя изнутри. Процесс теплового разгона, связанный с вторичным пробоем, после запуска происходит почти мгновенно и может катастрофически повредить корпус транзистора.

Если переход эмиттер-база смещен в обратном направлении в лавинный или режим Зенера и заряд течет в течение короткого периода времени, усиление тока BJT может быть постоянно ухудшено, поскольку эмиттер меньше коллектора и не может рассеивать значительную мощность. Это распространенный механизм отказа ESD в низковольтных устройствах.

Смотрите также

Примечания

^ Некоторые металлы, такие как алюминий, имеют значительные дырочные зоны. ^[1]
^ Историческое происхождение этих названий см . в разделе Точечный транзистор .

Ссылки

^ Эшкрофт; Мермин (1976). Физика твердого тела (1-е изд.). Холт, Райнхарт и Уинстон. стр. 299–302. ISBN 978-0030839931.
^ Чэньмин Кэлвин Ху (2010). Современные полупроводниковые приборы для интегральных схем.
^ abcd Горовиц, Пол ; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-37095-0. Получено 2023-06-22 .
^ Liou, Juin Jei; Yuan, Jiann S. (1998). Физика и моделирование полупроводниковых приборов. Springer. ISBN 978-0-306-45724-1.
↑ General Electric (1962). Transistor Manual (6-е изд.). С. 12. Bibcode :1964trma.book.....C.«Если при анализе транзистора использовать принцип нейтральности пространственного заряда, то очевидно, что ток коллектора контролируется посредством положительного заряда (концентрации дырок) в базовой области. ... Когда транзистор используется на более высоких частотах, основным ограничением является время, необходимое носителям для диффузии через базовую область...» (то же самое в 4-м и 5-м изданиях).
^ Antognetti, Paolo; Massobrio, Giuseppe (1993). Моделирование полупроводниковых приборов с помощью Spice. McGraw–Hill Professional. ISBN 978-0-07-134955-0.
^ Морган, Д.В.; Уильямс, Робин Х., ред. (1991). Физика и технология гетеропереходных устройств. Лондон: Институт инженеров-электриков (Peter Peregrinus Ltd.). ISBN 978-0-86341-204-2.
^ Эшберн, Питер (2003). SiGe гетеропереходные биполярные транзисторы. Нью-Йорк: Wiley. Глава 10. ISBN 978-0-470-84838-8.
^ JIMBLOM. "Транзисторы: Режимы работы". SparkFun Electronics . Получено 22.06.2023 .
^ "Описание лекции 18: Биполярный транзистор (II) – режимы работы" (PDF) . Весна 2007 . Получено 22.06.2023 .
^ "1947: Изобретение точечного транзистора". Computer History Museum . Получено 10 августа 2016 г. .
^ "1948: Conception of the Junction Transistor". Computer History Museum . Получено 10 августа 2016 г.
^ Третий пример исследования – появление твердотельного тела Архивировано 27 сентября 2007 г. на Wayback Machine (PDF)
^ «Музей транзисторов, историческая фотогалерея транзисторов, Bell Labs Type M1752».
^ Моррис, Питер Робин (1990). "4.2". История мировой полупроводниковой промышленности . IEE History of Technology Series 12. Лондон: Peter Peregrinus Ltd. стр. 29. ISBN 978-0-86341-227-1.
^ "Фотогалерея музея транзисторов RCA TA153" . Получено 10 августа 2016 г. .
^ Справочник по высокоскоростным импульсным транзисторам (2-е изд.). Motorola. 1963. стр. 17.[1].
^ Музей транзисторов, Историческая фотогалерея транзисторов, Western Electric 3N22.
^ Maupin, JT (1957). "Тетродный силовой транзистор". IRE Transactions on Electron Devices . 4 (1): 1–5. Bibcode : 1957ITED....4....1M. doi : 10.1109/T-ED.1957.14192. S2CID 51668235.
^ "Фотогалерея музея транзисторов. Германиевый поверхностно-барьерный транзистор Philco A01" . Получено 10 августа 2016 г.
^ "Фотогалерея музея транзисторов Германиевый поверхностно-барьерный транзистор" . Получено 10 августа 2016 г. .
^ Brar, B.; Sullivan, GJ; Asbeck, PM (2001). «Биполярные транзисторы Херба». IEEE Transactions on Electron Devices . 48 (11): 2473–2476. Bibcode : 2001ITED...48.2473B. doi : 10.1109/16.960370.
^ Буллис, WM; Раньян, WR (1967). «Влияние подвижности и изменений продолжительности жизни на эффекты дрейфового поля в кремниевых переходных устройствах». Труды IEEE по электронным устройствам . 14 (2): 75–81. Bibcode : 1967ITED...14...75B. doi : 10.1109/T-ED.1967.15902.
^ "Фотогалерея музея транзисторов. Прототип германий-кремниевого транзистора с диффузной базой из лаборатории Белла" . Получено 10 августа 2016 г.
^ "Фотогалерея музея транзисторов Fairchild 2N1613 Early Silicon Planar Transistor" . Получено 10 августа 2016 г. .
^ "1960: Процесс эпитаксиального осаждения повышает производительность транзистора". Computer History Museum . Получено 22 июня 2023 г. .
^ Эберс, Дж.; Молл, Дж. (1954). «Поведение транзисторов с большим сигналом». Труды IRE . 42 (12): 1761–1772. doi :10.1109/jrproc.1954.274797. S2CID 51672011.
^ Седра, Адель С.; Смит, Кеннет К. (1987). Микроэлектронные схемы (2-е изд.). Холт, Райнхарт и Уинстон. стр. 903. ISBN 978-0-03-007328-1.
^ Седра, А.С.; Смит, К.С. (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. Уравнения. 4.103–4.110, стр. 305. ISBN 978-0-19-514251-8.
^ Gummel, HK; Poon, HC (1970). «Модель интегрального управления зарядом биполярных транзисторов». Bell System Technical Journal . 49 (5): 827–852. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01803.x.
^ "Биполярные транзисторы". Архивировано из оригинала 7 февраля 2009 г. Получено 10 августа 2016 г.
^ AS Sedra; KC Smith (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. С. 509. ISBN 978-0-19-514251-8.
^ "Описание VBIC и подробности вывода" (PDF) . Руководство разработчика .
^ "SmartSpice Analog Circuit Simulator" (PDF) . Silvaco. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-03-05 . Получено 2015-01-15 .
^ Геннадий Гильденблат, ред. (2010). Компактное моделирование: принципы, методы и приложения . Springer Science & Business Media. Часть II: Компактные модели биполярных транзисторов, стр. 167–267, подробное описание Mextram и HiCuM. ISBN 978-90-481-8614-3.
^ Шрётер, Михаэль (2010). Компактное иерархическое моделирование биполярного транзистора с помощью Hicum . World Scientific. ISBN 978-981-4273-21-3.
^ "Компактные модели биполярных транзисторов, Беркнер" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-01-16 . Получено 2015-01-16 .
^ "Датчики температуры ИС находят горячие точки - Примечание по применению". maxim-ic.com . 21 февраля 2002 г. Получено 10 августа 2016 г.

Внешние ссылки

Медиа, связанные с Биполярные транзисторы на Wikimedia Commons