Биполярный транзистор

Транзистор, который использует как электроны, так и дырки в качестве носителей заряда.

3D-модель корпуса ТО-92, обычно используемого для небольших биполярных транзисторов.

Биполярный переходной 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 тип носителя заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току , подаваемому на один из его выводов , управлять гораздо большим током, протекающим между выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению .

В BJT используются два p – n-перехода между полупроводниками двух типов: n-типа и p-типа, которые представляют собой области в монокристалле материала . Переходы можно создавать несколькими различными способами, например, путем изменения легирования полупроводникового материала по мере его выращивания, путем осаждения металлических таблеток для формирования переходов сплава или такими методами, как диффузия легирующих веществ n-типа и p-типа в кристалл. Превосходная предсказуемость и производительность переходных транзисторов быстро вытеснили оригинальные точечные транзисторы . Диффузные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральных схем аналогового и цифрового назначения. Сотни биполярных транзисторов могут быть изготовлены в одной схеме по очень низкой цене.

Интегральные схемы на биполярных транзисторах были основными активными устройствами поколения мэйнфреймов и миникомпьютеров , но в настоящее время в большинстве компьютерных систем используются дополнительные интегральные схемы металл-оксид-полупроводник ( КМОП ), основанные на полевом транзисторе (FET). Биполярные транзисторы до сих пор используются для усиления сигналов, переключения и в интегральных схемах смешанных сигналов с использованием BiCMOS . Специализированные типы используются для переключателей высокого напряжения, радиочастотных (РЧ) усилителей или для переключения больших токов.

Текущие соглашения о направлениях

Условно направление тока на диаграммах показано как направление, в котором будет двигаться положительный заряд. Это называется условным током . Однако ток в металлических проводниках обычно составляет ^[а] из-за потока электронов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении, противоположном обычному 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 движения дырок и электронов показывают их фактическое направление внутри транзистора.

Направление стрелки

Стрелка на символе биполярных транзисторов указывает p – n-переход между базой и эмиттером и указывает направление движения обычного тока .

Функция

BJT существуют как типы PNP и NPN, в зависимости от типов легирования трех основных концевых областей. NPN-транзистор состоит из двух полупроводниковых переходов, которые имеют общую тонкую p-легированную область, а PNP-транзистор состоит из двух полупроводниковых переходов, которые имеют общую тонкую n-легированную область. N-тип означает легирование примесями (такими как фосфор или мышьяк ), которые обеспечивают подвижные электроны, тогда как p-тип означает легирование примесями (такими как бор ), которые создают дырки, которые легко принимают электроны.

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

Поток заряда в BJT происходит из-за диффузии носителей заряда (электронов и дырок) через переход между двумя областями с разной концентрацией носителей заряда. Области BJT называются эмиттером , базой и коллектором . ^[б] 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 легче ^[2] ), чем база. По конструкции большая часть тока коллектора BJT обусловлена ​​потоком носителей заряда, инжектируемых 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 как устройства с меньшинством несущей .

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

Чтобы свести к минимуму 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 обеспечивает низкую скорость рекомбинации. В частности, толщина основания должна быть много меньше диффузионной длины носителей. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, поэтому от коллектора к базе происходит незначительная инжекция носителей, но носители, которые инжектируются в базу из эмиттера и диффундируют, достигая области обеднения коллектор-база, уносятся в область обеднения коллектор-база. коллектор электрическим полем в обедненной области. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектора-эмиттера — вот что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов, соединенных последовательно.

Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектор-эмиттер можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (управление по току) или напряжением база-эмиттер (управление напряжением). Эти представления связаны между собой зависимостью вольт-амперного перехода база-эмиттер, которая представляет собой обычную экспоненциальную вольт-амперную кривую ap-n-перехода (диода). ^[3]

Объяснением коллекторного тока является градиент концентрации неосновных носителей в базовой области. ^{[3] [4] [5]} Из-за низкого уровня инжекции (при котором избыточных несущих гораздо меньше, чем у обычных мажоритарных несущих) амбиполярные скорости транспорта (при которых избыточные основные и неосновные несущие движутся с одинаковой скоростью) находятся в Эффект определяется избытком несовершеннолетних носителей.

Подробные транзисторные модели действия транзистора, такие как модель Гаммеля-Пуна , явно учитывают распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. ^[6] Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы , где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов , и учитывает динамику выключения или время восстановления, которое зависит от рекомбинации заряда в базовой области. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на клеммах, представления управления током и напряжением обычно используются при проектировании и анализе схем.

При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно в раз превышает ток базы. Некоторые базовые схемы можно спроектировать, предполагая, что напряжение база-эмиттер примерно постоянно и что ток коллектора в β раз превышает ток базы. Однако для точного и надежного проектирования производственных схем BJT требуется модель управления напряжением (например, модель Эберса-Молла ). ^[3] Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции, но когда она линеаризована так, что транзистор можно моделировать как крутизну, как в модели Эберса-Молля, снова проектируйте схемы, такие как дифференциальные усилители. становится в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтительнее подход к управлению напряжением. Для транслинейных схем , в которых экспоненциальная кривая ВАХ является ключом к работе, транзисторы обычно моделируются как источники тока, управляемые напряжением, крутизна которых пропорциональна току их коллектора. Как правило, анализ схем на транзисторном уровне выполняется с использованием SPICE или аналогичного симулятора аналоговых схем, поэтому сложность математической модели обычно не особо беспокоит разработчика, но упрощенное представление характеристик позволяет создавать конструкции в соответствии с логическим процессом. . ${\displaystyle \beta _{\text{F}}}$

Задержка включения, выключения и сохранения

Биполярные транзисторы, и особенно силовые транзисторы, имеют длительное время хранения базы, когда они достигают насыщения; базовое хранилище ограничивает время выключения при переключении приложений. 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 легкое легирование области базы приводит к тому, что из эмиттера в базу инжектируется гораздо больше электронов, чем дырок, которые инжектируются из базы в эмиттер. Тонкая и слегка легированная область базы означает, что большинство неосновных носителей, инжектированных в базу, будут диффундировать к коллектору, а не рекомбинировать.

Коэффициент усиления тока с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току с общим эмиттером представлен β _F или h -параметром h _FE ; это примерно отношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямо-активной области. (Индекс F используется для обозначения прямого активного режима работы.) Обычно он больше 50 для транзисторов с малым сигналом, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных приложений. Как эффективность инжекции, так и рекомбинация в базе уменьшают усиление биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току с общей базой

Еще одной полезной характеристикой является коэффициент усиления по току с общей базой α _F . Коэффициент усиления тока с общей базой примерно равен коэффициенту усиления тока от эмиттера к коллектору в прямой активной области. Это соотношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,980 и 0,998. Оно меньше единицы из-за рекомбинации носителей заряда при пересечении базовой области.

Альфа и бета связаны следующими тождествами:

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

Бета — это удобный показатель качества для описания характеристик биполярного транзистора, но он не является фундаментальным физическим свойством устройства. Биполярные транзисторы можно рассматривать как устройства, управляемые напряжением (по сути, ток коллектора контролируется напряжением база-эмиттер; ток базы можно считать дефектом и контролируется характеристиками перехода база-эмиттер и рекомбинацией в базе). Во многих проектах бета предполагается достаточно высокой, поэтому ток базы оказывает незначительное влияние на цепь. В некоторых схемах (обычно в переключающих схемах) подается достаточный базовый ток, так что даже самое низкое значение бета, которое может иметь конкретное устройство, все равно будет пропускать необходимый ток коллектора.

Состав

Упрощенное сечение планарного NPN- транзистора с биполярным переходом.

БПТ состоит из трех полупроводниковых областей с различным легированием: области эмиттера , области базы и области коллектора . Эти области имеют соответственно p -тип, n -тип и p- тип в PNP-транзисторе и n - тип, p-тип и n - тип в NPN-транзисторе. Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).

База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена ​​из легколегированного материала с высоким удельным сопротивлением . Коллектор окружает область эмиттера, что делает практически невозможным выход электронов, инжектированных в базовую область, без их сбора, что делает результирующее значение α очень близким к единице и, таким образом, дает транзистору большое β. Вид поперечного сечения BJT 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 меньшими, чем в прямом режиме; часто α обратного режима меньше 0,5. Отсутствие симметрии связано, прежде всего, с соотношением легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор легирован слабо, что позволяет приложить большое напряжение обратного смещения до того, как переход коллектор-база выйдет из строя. В нормальном режиме переход коллектор-база смещен в обратном направлении. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, заключается в увеличении эффективности инжекции эмиттера: соотношения носителей, инжектируемых эмиттером, к числу носителей, инжектируемых базой. Для высокого коэффициента усиления по току большая часть носителей, инжектированных в переход эмиттер-база, должна исходить из эмиттера.

Кристалл NPN-транзистора 2N2222 — соединительные провода соединяются с базой и эмиттером.

Малопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, иногда используемые в КМОП-процессах, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы.

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

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

Биполярный транзистор с гетеропереходом (HBT) представляет собой усовершенствованную версию BJT, способную обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц . Это часто встречается в современных сверхбыстрых схемах, в основном в радиочастотных системах. ^{[7] [8]}

Символ биполярного транзистора NPN с направлением тока

Двумя обычно используемыми HBT являются кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры HBT можно использовать самые разные полупроводники. Структуры HBT обычно выращиваются с помощью методов эпитаксии , таких как MOCVD и MBE .

Регионы деятельности

Биполярные транзисторы имеют четыре различные области работы, определяемые смещениями BJT-перехода: ^{[9] [10]}

Форвард-активный (или просто активный )

Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении. Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить наибольший коэффициент усиления по току с общим эмиттером β _F в прямонаправленном активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер примерно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.

Реверсивно-активный (или инверсно-активный или инвертированный )

Изменяя условия смещения прямой активной области, биполярный транзистор переходит в обратно-активный режим. В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы максимизировать коэффициент усиления по току в прямом активном режиме, β _F в инвертированном режиме в несколько раз меньше (в 2–3 раза для обычного германиевого транзистора). Этот транзисторный режим используется редко, обычно его рассматривают только для отказоустойчивых условий и некоторых типов биполярной логики . Напряжение пробоя обратного смещения на базу в этой области может быть на порядок ниже.

Насыщенность

Когда оба перехода смещены в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и обеспечивает проводимость большого тока от эмиттера к коллектору (или в другом направлении в случае NPN, когда отрицательно заряженные носители перетекают от эмиттера к коллектору). Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому выключателю.

Отрезать

В режиме отсечки присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень мал, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.

Входные и выходные характеристики усилителя на кремниевых транзисторах с общей базой.

Хотя эти области четко определены при достаточно большом приложенном напряжении, они несколько перекрываются при небольших (менее нескольких сотен милливольт) смещениях. Например, в типичной конфигурации NPN BJT с заземленным эмиттером, используемой 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.

Транзисторы активного режима в схемах

Структура и применение NPN-транзистора; стрелка по схеме

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 смещается в прямом направлении, позволяя потоку электронов 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, чтобы сформировать ток коллектора I _C . Остальные электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями в базе, создавая ток через соединение базы, образуя ток базы I _B . Как показано на диаграмме, ток эмиттера I _E представляет собой общий ток транзистора, который представляет собой сумму токов других выводов (т. е. I _E  =  I _B  +  I _C ).

На диаграмме стрелки, обозначающие ток, указывают направление обычного тока — поток электронов движется в направлении, противоположном стрелкам, поскольку электроны несут 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 схемы не зависят от точного значения (например, см . ОУ ). Значение этого усиления для сигналов постоянного тока обозначается как , а значение этого усиления для слабых сигналов обозначается как . То есть, когда происходит небольшое изменение токов и прошло достаточно времени для того, чтобы новое состояние достигло устойчивого состояния, это отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы. Символ используется как для , так и для . ^{[3] : 62–66} ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$ ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$ ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle h_{\text{FE}}}$ ${\displaystyle h_{\text{fe}}}$

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

История

Биполярный точечный транзистор был изобретен в декабре 1947 года ^[11] в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Брэттеном под руководством Уильяма Шокли . Вариант с переходом, известный как биполярный переходной транзистор (BJT), изобретенный Шокли в 1948 году ^[12] , в течение трех десятилетий был предпочтительным устройством при проектировании дискретных и интегральных схем . В настоящее время использование биполярного транзистора при проектировании цифровых интегральных схем сократилось в пользу технологии КМОП. Однако низкопроизводительные биполярные транзисторы, присущие КМОП-ИС, часто используются в качестве опорного напряжения запрещенной зоны , кремниевого датчика температуры запрещенной зоны и для борьбы с электростатическими разрядами .

Германиевые транзисторы

Германиевый транзистор был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, но имел большую склонность к тепловому выходу из- под контроля . Поскольку германиевые pn-переходы имеют меньшее прямое смещение, чем кремниевые, германиевые транзисторы открываются при более низком напряжении.

Ранние технологии производства

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

• Точечный транзистор  - первый когда-либо созданный транзистор (декабрь 1947 г.), биполярный транзистор, коммерческое использование которого ограничено из-за высокой стоимости и шума.
  • Тетрод точечный транзистор – точечный транзистор, имеющий два эмиттера. Он устарел в середине 1950-х годов.
• Переходные транзисторы
  • Транзистор с выращенным переходом  - создан первый транзистор с биполярным переходом . ^[14] Изобретён Уильямом Шокли в Bell Labs 23 июня 1948 года. ^[15] Патент подан 26 июня 1948 года.
  • Транзистор со сплавным переходом  — шарики эмиттера и коллектора из сплава, приваренные к базе. Разработан компаниями General Electric и RCA ^[16] в 1951 году.
    • Микросплавный транзистор (МАТ) – быстродействующий тип транзистора из сплава. Разработано в Philco . ^[17]
    • Диффузный транзистор из микросплава (MADT) - высокоскоростной транзистор из сплава, более быстрый, чем MAT, транзистор с диффузной базой . Разработано в Philco.
    • Диффузный транзистор после сплава (PADT) - высокоскоростной транзистор из сплава, более быстрый, чем MAT, транзистор с диффузной базой. Разработано в Philips .
  • Тетродный транзистор  – быстродействующий вариант транзистора с выращенным переходом ^[18] или транзистора из сплава ^[19] с двумя выводами на базу.
  • Транзистор с поверхностным барьером  – быстродействующий транзистор с металлическим барьером. Разработан в Philco ^[20] в 1953 году. ^[21]
  • Дрейфовый полевой транзистор  – быстродействующий биполярный переходной транзистор. Изобретен Гербертом Кремером ^{[22] [23]} в Центральном бюро телекоммуникационных технологий Немецкой почтовой службы в 1953 году.
  • Спасистор  – около 1957 г.
  • Диффузионный транзистор  – биполярный транзистор современного типа. Прототипы ^[24] разработаны в Bell Labs в 1954 году.
    • Транзистор с диффузной базой  - первая реализация диффузионного транзистора.
    • Транзистор Mesa  - разработан в Texas Instruments в 1957 году.
    • Планарный транзистор  - биполярный переходной транзистор, сделавший возможным массовое производство монолитных интегральных схем. Разработан Жаном Эрни ^[25] в Fairchild в 1959 году.
  • Эпитаксиальный транзистор ^[26]  – биполярный переходной транзистор, изготовленный методом газофазного осаждения. См. Эпитаксия . Позволяет очень точно контролировать уровни и градиенты легирования.

Теория и моделирование

Зонная диаграмма NPN-транзистора в равновесии

Зонная диаграмма NPN-транзистора в активном режиме, показывающая инжекцию электронов от эмиттера к базе и их выброс в коллектор.

BJT можно рассматривать как два диода (p – n-переходы), разделяющие общую область, через которую могут перемещаться неосновные носители. PNP BJT будет функционировать как два диода с общей катодной областью N-типа, а NPN — как два диода с общей анодной областью P-типа. Соединение двух диодов проводами не приведет к созданию биполярного транзистора, поскольку неосновные носители не смогут перейти 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 BJT создает хороший переключатель, управляемый его базовым входом. BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может умножить слабый входной сигнал примерно в 100 раз по сравнению с его первоначальной силой. Сети биполярных транзисторов используются для создания мощных усилителей для самых разных приложений.

В обсуждении ниже основное внимание уделяется NPN BJT. В так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер и напряжение коллектор-база положительны, смещая в прямом направлении переход эмиттер-база и обратное смещение перехода коллектор-база. В этом режиме электроны инжектируются из прямосмещенной области эмиттера n-типа в базу p-типа, где они диффундируют в качестве неосновных носителей в обратносмещенный коллектор n-типа и уносятся электрическим полем в обратносмещенном коллекторе. Переход коллектор-база. ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$ ${\displaystyle V_{\text{CB}}}$

Иллюстрацию прямого и обратного смещения см. в разделе «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

Модель Эберса – Молла для NPN-транзистора. ^[28] I _B , I _C и I _E — токи базы, коллектора и эмиттера; I _CD и I _ED — токи коллектора и эмиттера диода; α _F и α _R – коэффициенты усиления по току с общей базой в прямом и обратном направлении.

Модель Эберса – Молла для PNP-транзистора.

Приближенная модель Эберса – Молла для NPN-транзистора в прямом активном режиме. Коллекторный диод смещен в обратном направлении, поэтому I _CD практически равен нулю. Большая часть тока эмиттерного диода ( α _F составляет около 1) берется из коллектора, обеспечивая усиление тока базы.

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

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

Внутренний ток базы возникает в основном за счет диффузии (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

• ${\displaystyle V_{\text{T}}}$— тепловое напряжение (около 26 мВ при 300 К ≈ комнатной температуре). ${\displaystyle kT/q}$
• ${\displaystyle I_{\text{E}}}$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 от 10–15 ^до 10–12 ^ампер ).
• ${\displaystyle V_{\text{BE}}}$напряжение база-эмиттер
• ${\displaystyle D_{n}}$- константа диффузии электронов в базе p-типа
• W — ширина основания

Параметры и вперед такие же, как описано ранее. Иногда в модель включается реверс . ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$

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

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

где

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

Модуляция базовой ширины

Вверху: ширина базы NPN для низкого обратного смещения коллектор-база; Внизу: более узкая ширина базы NPN для большого обратного смещения коллектор-база. Хешированные регионы — это обедненные регионы .

При изменении напряжения коллектор-база ( ) размер области обеднения коллектор-база меняется. Например, увеличение напряжения коллектор-база вызывает большее обратное смещение на переходе коллектор-база, увеличивая ширину области обеднения коллектор-база и уменьшая ширину базы. Это изменение ширины основания часто называют эффектом Эрли в честь его первооткрывателя Джеймса М. Эрли . ${\displaystyle V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}}$

Сужение базовой ширины имеет два последствия:

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

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

Прорыв

Когда напряжение база-коллектор достигает определенного (зависящего от устройства) значения, граница области обеднения база-коллектор встречается с границей области обеднения база-эмиттер. В этом состоянии транзистор фактически не имеет базы. Таким образом, в этом состоянии устройство теряет весь выигрыш.

Модель управления зарядом Гаммеля – Пуна

Модель Гаммеля-Пуна ^[30] представляет собой детальную модель динамики биполярного транзистора с контролем заряда, которая была принята и разработана другими для более детального объяснения динамики транзисторов, чем обычно это делают модели на основе терминалов. ^[31] Эта модель также включает зависимость значений транзистора от уровней постоянного тока в транзисторе, которые в модели Эберса-Молля считаются независимыми от тока. ^[32] ${\displaystyle \beta }$

Модели со слабым сигналом

Гибридно-пи-модель

Гибридно-пи-модель

Гибридно-пи-модель — популярная модель схемы , используемая для анализа поведения малых сигналов и переменного тока биполярных переходных и полевых транзисторов . Иногда ее еще называют моделью Джаколетто, поскольку она была представлена ​​Л. Дж. Джаколетто в 1969 году. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и легко адаптироваться для высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных схем. элементы.

модель h-параметра

Обобщенная модель h-параметра NPN BJT.
Замените x на e , b или c для топологий CE, CB и CC соответственно.

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

• Терминал 1, база
• Терминал 2, коллектор
• Клемма 3 (общая), эмиттер; давая x быть e
• я _я , базовый ток ( я _б )
• 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 конфигурации с общим эмиттером — входное сопротивление транзистора (соответствующее сопротивлению базы _rpi ) .
• h _rx = h _re , обратная передаточная зависимость, она представляет собой зависимость кривой (входной) I _B – V _BE транзистора от значения (выходного) V _CE . Обычно оно очень мало и им часто пренебрегают (считают равным нулю) при постоянном токе.
• h _fx = h _fe , «прямой» коэффициент усиления транзистора по току, иногда обозначаемый h ₂₁ . Этот параметр пишется строчными буквами «fe» для обозначения усиления малого сигнала (AC) или чаще заглавными буквами для «FE» (обозначается как h _FE ) для обозначения «большого сигнала» или усиления постоянного тока ( β _DC или часто просто β ), является одним из основных параметров в таблицах данных и может быть указан для типичного тока и напряжения коллектора или отображен на графике как функция тока коллектора. См. ниже.
• h _ox = 1/ h _oe , выходное сопротивление транзистора. Параметр h _oe обычно соответствует выходному адмиттансу биполярного транзистора и его необходимо инвертировать, чтобы преобразовать его в импеданс.

Как показано, h-параметры имеют нижние индексы и, следовательно, обозначают условия переменного тока или анализы. Для условий постоянного тока они указываются в верхнем регистре. Для топологии CE обычно используется приблизительная модель h-параметра, которая еще больше упрощает анализ схемы. При этом параметрами hoe и hre пренебрегают (т.е. задают их равными бесконечности и нулю соответственно _{) .} Показанная модель h-параметра подходит для низкочастотного анализа слабых сигналов. Для высокочастотного анализа необходимо добавить межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

Этимология h _FE

Символ h означает, что он является h-параметром, набором параметров, названных в честь их происхождения из модели гибридной эквивалентной схемы (см. выше). Как и в случае со всеми параметрами h, выбор нижнего или заглавного регистра для букв, следующих за «h», имеет важное значение; строчные буквы означают параметры «малого сигнала», то есть наклон конкретного отношения; Заглавные буквы означают «большой сигнал» или значения постоянного тока , соотношение напряжений или токов. В случае очень часто используемого h _FE :

• F означает прямое усиление тока, также называемое усилением тока.
• E относится к транзистору, работающему в общей конфигурации E- передатчика (CE).

Таким образом, h _FE (или hFE) относится к (общему; постоянному току) коллекторному току, деленному на ток базы, и является безразмерным. Это параметр, который несколько меняется в зависимости от тока коллектора, но часто принимается как константа; обычно он указывается при типичном токе и напряжении коллектора или отображается на графике как функция тока коллектора.

Если бы в нижнем индексе не использовались заглавные буквы, т. е. если бы было написано h _fe , то параметр указывает усиление тока малого сигнала ( переменного тока ), т. е. наклон графика зависимости тока коллектора от тока базы в данной точке, который часто близок до значения hFE, если частота испытаний не высока.

Отраслевые модели

Модель SPICE Гаммеля-Пуна используется часто, но она имеет ряд ограничений. Например, модель SGP (SPICE Гаммеля-Пуна) не учитывает обратный пробой диода база-эмиттер, равно как и тепловые эффекты (саморазогрев) или квазинасыщение. ^[33] Эти проблемы были решены в различных более продвинутых моделях, которые либо ориентированы на конкретные случаи применения (Mextram, HICUM, Modella), либо предназначены для универсального использования (VBIC). ^{[34] [35] [36] [37]}

Приложения

BJT остается устройством, которое превосходно подходит для некоторых приложений, таких как проектирование дискретных схем, благодаря очень широкому выбору доступных типов BJT, а также из-за его высокой крутизны и выходного сопротивления по сравнению с MOSFET .

BJT также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для очень высокочастотных приложений, таких как радиочастотные схемы для беспроводных систем.

Высокоскоростная цифровая логика

В логике с эмиттерной связью (ECL) используются биполярные транзисторы.

Биполярные транзисторы можно комбинировать с МОП-транзисторами в интегральной схеме, используя процесс изготовления пластин BiCMOS для создания схем, которые используют преимущества применения обоих типов транзисторов.

Усилители

Параметры транзистора α и β характеризуют усиление по току биполярного транзистора. Именно этот коэффициент усиления позволяет использовать биполярные транзисторы в качестве строительных блоков электронных усилителей. Три основные топологии усилителя BJT:

• Общий эмиттер
• Общая база
• Общий коллектор

Датчики температуры

Из-за известной зависимости напряжения на прямосмещенном переходе база-эмиттер от температуры и тока биполярный транзистор можно использовать для измерения температуры путем вычитания двух напряжений при двух разных токах смещения в известном соотношении. ^[38]

Логарифмические преобразователи

Поскольку напряжение база-эмиттер изменяется как логарифм токов база-эмиттер и коллектор-эмиттер, биполярный транзистор также можно использовать 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 изготовлены 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 напряжения пробоя. Как только напряжению базы позволено вырасти, происходит лавинообразное протекание тока , и ударная ионизация в области истощения базы коллектора быстро заполняет базу носителями и полностью открывает транзистор. Пока импульсы достаточно короткие и достаточно редкие, чтобы устройство не повредилось, этот эффект можно использовать для создания очень острых спадающих фронтов.

Для этого случая созданы специальные устройства на лавинных транзисторах .

Уязвимости

Воздействие ионизирующего излучения на транзистор приводит к радиационному повреждению . Радиация вызывает накопление «дефектов» в базовой области, которые действуют как центры рекомбинации. Результирующее сокращение срока службы неосновных носителей приводит к постепенной потере коэффициента усиления транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные номиналы», включая номинальную мощность (по существу ограниченную самонагревом), максимальные токи коллектора и базы (как непрерывные, так и пиковые), а также номинальное напряжение пробоя , при превышении которого устройство может выйти из строя или, по крайней мере, работать плохо. .

В дополнение к нормальным характеристикам пробоя устройства, силовые BJT подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоем , при котором чрезмерный ток и обычные дефекты кремниевого кристалла приводят к тому, что части кремния внутри устройства становятся непропорционально более горячими, чем другие. Удельное электросопротивление легированного кремния, как и других полупроводников, имеет отрицательный температурный коэффициент , что означает, что он проводит больший ток при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть кристалла проводит наибольший ток, вызывая увеличение его проводимости, что затем приводит к тому, что он снова становится все более горячим, пока устройство не выйдет из строя внутри. Процесс теплового разгона, связанный с вторичным пробоем, однажды возникнув, происходит практически мгновенно и может привести к катастрофическому повреждению корпуса транзистора.

Если переход эмиттер-база смещен в обратном направлении в лавинный режим или режим Зенера и заряд течет в течение короткого периода времени, коэффициент усиления по току биполярного транзистора может постоянно ухудшаться, поскольку эмиттер меньше коллектора и не может рассеивать значительную мощность. Это распространенный механизм отказа электростатического разряда в низковольтных устройствах.

Смотрите также

• Портал электроники

• Смещение биполярного транзистора
• сюжет Гаммеля
• Биполярный транзистор с изолированным затвором
• Многоэмиттерный транзистор

Примечания

1. Некоторые металлы, такие как алюминий , имеют значительные полосы отверстий. ^[1]
2. Историческое происхождение этих названий см. в разделе «Транзистор с точечным контактом» .

Рекомендации

1. Эшкрофт; Мермин (1976). Физика твердого тела (1-е изд.). Холт, Райнхарт и Уинстон. стр. 299–302. ISBN 978-0030839931.
2. Ченмин Кэлвин Ху (2010). Современные полупроводниковые приборы для интегральных схем.
3. Горовиц, Пол ; Хилл, Уинфилд (1989). Искусство электроники (2-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-37095-0. Проверено 22 июня 2023 г.
4. Лиу, Джуин Джей; Юань, Цзянн С. (1998). Физика и моделирование полупроводниковых устройств. Спрингер. ISBN 978-0-306-45724-1.
5. Дженерал Электрик (1962). Руководство по транзисторам (6-е изд.). п. 12. Бибкод : 1964trma.book.....C.«Если при анализе транзистора используется принцип нейтральности пространственного заряда, то очевидно, что ток коллектора контролируется посредством положительного заряда (концентрации дырок) в области базы. ... Когда транзистор используется при на более высоких частотах фундаментальным ограничением является время, необходимое несущим для распространения по базовой области...» (то же самое в 4-м и 5-м изданиях).
6. Антогнетти, Паоло; Массобрио, Джузеппе (1993). Моделирование полупроводниковых устройств с помощью Spice. МакГроу-Хилл Профессионал. ISBN 978-0-07-134955-0.
7. 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.
8. Эшберн, Питер (2003). Биполярные транзисторы SiGe с гетеропереходом. Нью-Йорк: Уайли. Глава 10. ISBN 978-0-470-84838-8.
9. ДЖИМБЛОМ. «Транзисторы: режимы работы». Электроника SparkFun . Проверено 22 июня 2023 г.
10. «Краткое содержание лекции 18: Биполярный переходной транзистор (II) - режимы работы» (PDF) . Весна 2007 года . Проверено 22 июня 2023 г.
11. «1947: Изобретение точечного транзистора» . Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2016 г.
12. «1948: Концепция переходного транзистора». Музей истории компьютеров . Проверено 10 августа 2016 г.
13. Третий практический пример – появление полупроводников. Архивировано 27 сентября 2007 г. в Wayback Machine (PDF).
14. "Музей транзисторов, Историческая фотогалерея транзисторов, Bell Labs Type M1752" .
15. Моррис, Питер Робин (1990). «4,2». История мировой полупроводниковой промышленности . IEE History of Technology Series 12. Лондон: Peter Peregrinus Ltd., с. 29. ISBN 978-0-86341-227-1.
16. "Фотогалерея Музея транзисторов RCA TA153" . Проверено 10 августа 2016 г.
17. Справочник по высокоскоростным переключающим транзисторам (2-е изд.). Моторола. 1963. с. 17.[1].
18. Музей транзисторов, Историческая фотогалерея транзисторов, Western Electric 3N22.
19. Мопен, JT (1957). «Тетродный силовой транзистор». Транзакции IRE на электронных устройствах . 4 (1): 1–5. Бибкод : 1957ITED....4....1M. дои : 10.1109/T-ED.1957.14192. S2CID  51668235.
20. "Фотогалерея Музея транзисторов. Германиевый транзистор с поверхностным барьером Philco A01" . Проверено 10 августа 2016 г.
21. "Фотогалерея Музея транзисторов. Германиевый транзистор с поверхностным барьером" . Проверено 10 августа 2016 г.
22. Брар, Б.; Салливан, Дж.Дж.; Асбек, премьер-министр (2001). «Биполярные транзисторы Херба». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 48 (11): 2473–2476. Бибкод : 2001ITED...48.2473B. дои : 10.1109/16.960370.
23. Буллис, WM; Рунян, WR (1967). «Влияние изменений подвижности и времени жизни на эффекты дрейфового поля в устройствах с кремниевым переходом». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 14 (2): 75–81. Бибкод : 1967ITED...14...75B. дои : 10.1109/T-ED.1967.15902.
24. "Фотогалерея Музея транзисторов. Прототип германиево-кремниевого транзистора Bell Labs с диффузной основой" . Проверено 10 августа 2016 г.
25. "Фотогалерея Музея транзисторов Fairchild 2N1613 Ранний кремниевый планарный транзистор" . Проверено 10 августа 2016 г.
26. «1960: Процесс эпитаксиального осаждения повышает производительность транзисторов» . Музей истории компьютеров . Проверено 22 июня 2023 г.
27. Эберс, Дж.; Молл, Дж. (1954). «Поведение переходных транзисторов при больших сигналах». Труды ИРЭ . 42 (12): 1761–1772. дои : 10.1109/jrproc.1954.274797. S2CID  51672011.
28. Седра, Адель С.; Смит, Кеннет К. (1987). Микроэлектронные схемы (2-е изд.). Холт, Райнхарт и Уинстон. п. 903. ИСБН 978-0-03-007328-1.
29. Седра, А.С.; Смит, К.К. (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. уравнения 4.103–4.110, с. 305. ИСБН 978-0-19-514251-8.
30. Гаммел, Гонконг; Пун, ХК (1970). «Интегральная модель управления зарядом биполярных транзисторов». Технический журнал Bell System . 49 (5): 827–852. doi :10.1002/j.1538-7305.1970.tb01803.x.
31. «Биполярные транзисторы». Архивировано из оригинала 7 февраля 2009 года . Проверено 10 августа 2016 г.
32. А. С. Седра; К.С. Смит (2004). Микроэлектронные схемы (5-е изд.). Нью-Йорк: Оксфорд. п. 509. ИСБН 978-0-19-514251-8.
33. «Описание VBIC и подробности получения» (PDF) . Руководство дизайнера .
34. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 5 марта 2016 г. Проверено 15 января 2015 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
35. Геннадий Гильденблат, изд. (2010). Компактное моделирование: принципы, методы и приложения . Springer Science & Business Media. Часть II: Компактные модели биполярных транзисторов, стр. 167–267, подробно освещают Mextram и HiCuM. ISBN 978-90-481-8614-3.
36. Шретер, Майкл (2010). Моделирование компактных иерархических биполярных транзисторов с помощью Hicum . Всемирная научная. ISBN 978-981-4273-21-3.
37. «Компактные модели биполярных транзисторов, Беркнер» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 16 января 2015 г. Проверено 16 января 2015 г.
38. «Датчики температуры IC находят горячие точки - Рекомендации по применению» . maxim-ic.com . 21 февраля 2002 года . Проверено 10 августа 2016 г.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с биполярными транзисторами, на Викискладе?