همه چیز درباره ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT)

صفحه اصلی مقالهنویس مبانی الکترونیک همه چیز درباره ترانزیستورهای پیوند دوقطبی (BJT)

2024-03-21 2597

منشا ترانزیستورهای پیوند دوقطبی

ترانزیستور اتصال دوقطبی توسط یک تیم تحقیقاتی در آزمایشگاه بل در سال 1947 اختراع شد. اولین ترانزیستور از دو سیم فلزی با نقاط انتهایی تیز تشکیل شده بود که با یک بستر ژرمانیوم تماس نقطه ای داشتند. این اولین ترانزیستور در حالی که با استانداردهای امروزی اولیه بود، کل صنعت الکترونیک و شیوه زندگی بشر را به طور قابل توجهی متحول کرد.

در ترانزیستورهای اتصال دوقطبی مدرن، سیلیکون جایگزین ژرمانیوم به عنوان بستر شده است و تماس نقطه ای با دو اتصال pn جفت شده مجاور جایگزین شده است. ساختار می تواند به شکل pnp یا npn باشد.

ترانزیستور، مخفف عبارت «مقاومت انتقال»، یک دستگاه نیمه هادی چند اتصالی است. معمولاً ترانزیستورها با سایر اجزای مدار یکپارچه برای دستیابی به تقویت ولتاژ، جریان یا سیگنال استفاده می شوند.

ترانزیستورهای دوقطبی که با نام ترانزیستورهای اتصال دوقطبی (BJT) نیز شناخته می شوند، از مهمترین وسایل نیمه هادی هستند و کاربردهای گسترده ای در مدارهای پرسرعت، مدارهای آنالوگ، تقویت توان و غیره پیدا می کنند.

PN Junction چیست؟

این یک اتصال است که از تماس بین یک نیمه هادی نوع p و یک نیمه هادی نوع n ایجاد می شود.

به عنوان مثال، یک نیمه هادی نوع p مانند یک قطعه خاک رس مربعی است که با سوراخ های زیادی (معروف به حفره های الکترونی) پر شده است، شبیه به حفره هایی که در خرچنگ ها دیده می شود. یک نیمه رسانای نوع n نیز یک قطعه خاک رس مربع است، اما با بسیاری از خرچنگ ها (الکترون های آزاد) پر شده است. وقتی این دو تکه خاک رس را به هم بچسبانیم، خرچنگ ها به سمت لانه ها می خزند.

جلویی ترین خرچنگ ها اولین کسانی هستند که لانه های ردیف جلو را پیدا می کنند. هنگامی که خرچنگ‌های ردیف جلو به داخل لانه‌ها خزیده‌اند، خرچنگ‌های پشت سر آنها باید از فاصله بیشتری بالا بروند و در یافتن لانه‌ها با مشکل بیشتری مواجه شوند.

از آنجایی که حفره‌های ردیف‌های جلو تقریباً تخلیه شده‌اند، صنعت نیمه‌رسانا از این منطقه به عنوان منطقه تخلیه یاد می‌کند.

اتصال PN مشخصه ای به نام یکسوسازی دارد که اجازه می دهد جریان تنها در یک جهت جریان یابد.

مانند یک در است: برای شخصی آسان است که در را به یک جهت باز کند، اما اگر بخواهید آن را در جهت مخالف فشار دهید، سخت است. البته، می‌توانید از نیروی زیادی برای فشار دادن شدید درب استفاده کنید تا زمانی که بشکند، فرآیندی که ما از آن به عنوان خرابی محل اتصال یاد می‌کنیم.

با نگاهی به مشخصات جریان-ولتاژ یک اتصال PN، منحنی مطابق شکل زیر است.

هنگامی که یک سوگیری رو به جلو روی یک اتصال PN اعمال می شود، مانند قرار دادن چشم بند روی خرچنگ ها در گل است. خرچنگ ها کوته بین می شوند و فقط می توانند لانه های ردیف جلو را ببینند. در نتیجه، حرکت کلی خرچنگ ها کاهش می یابد و تعداد خرچنگ هایی که به سمت حفره ها می خزند نیز کاهش می یابد و عرض منطقه تخلیه را کاهش می دهد.

هنگامی که یک بایاس معکوس به یک اتصال PN اعمال می شود، مانند این است که تلسکوپ خرچنگ ها را در گل و لای قرار دهید. خرچنگ‌ها می‌توانند دورتر را ببینند و با هیجان بیشتری بخزند، که منجر به یافتن لانه‌های خرچنگ‌های بیشتری می‌شود. در نتیجه، حرکت کلی خرچنگ ها افزایش می یابد و عرض ناحیه تخلیه نیمه هادی گسترش می یابد.

در شکل زیر، (الف) عرض نرمال ناحیه تخلیه را در یک اتصال PN نشان می‌دهد، (ب) عرض را پس از اعمال بایاس رو به جلو نشان می‌دهد و (ج) عرض را پس از اعمال بایاس معکوس نشان می‌دهد.

ساختار ترانزیستور دوقطبی:

نمودار زیر نمای پرسپکتیو یک ترانزیستور دوقطبی pnp را نشان می دهد. فرآیند تولید شامل استفاده از یک نیمه هادی نوع p به عنوان بستر، با استفاده از اصل انتشار حرارتی برای ایجاد یک ناحیه از نوع n بر روی بستر نوع p است. متعاقباً، یک ناحیه با غلظت بالا از نوع p+ بر روی این ناحیه از نوع n از طریق انتشار حرارتی تشکیل می‌شود. در نهایت، از فلز برای پوشاندن نواحی p+، n و p-type زیرین برای ایجاد کنتاکت های اهمی استفاده می شود.

ترانزیستور دوقطبی pnp از سه ناحیه با غلظت های مختلف دوپینگ تشکیل شده است که دو اتصال pn را تشکیل می دهد. بالاترین غلظت p+ ناحیه امیتر نامیده می شود (که با E مشخص می شود).

ناحیه باریک میانی نوع n، با غلظت ناخالصی متوسط، پایه نامیده می شود (که با B مشخص می شود)، و عرض ناحیه پایه باید بسیار کوچکتر از طول انتشار حامل های اقلیت باشد.

ناحیه ای که کمترین غلظت نوع p را دارد جمع کننده نامیده می شود (که با C مشخص می شود). با فرض توزیع یکنواخت غلظت ها در هر ناحیه، مفهوم پیوند pn را می توان مستقیماً به اتصالات درون ترانزیستور اعمال کرد.

نمودار زیر نماد مدار یک ترانزیستور دوقطبی pnp را نشان می دهد که اجزای مختلف جریان و قطبیت های ولتاژ را نشان می دهد. فلش ها و نمادهای "+" و "–" جهت جریان ها و قطبیت ولتاژها را در حالت کار عمومی (یعنی حالت تقویت، حالت فعال) ترانزیستور نشان می دهند. در این حالت، اتصال امیتر-پایه بایاس رو به جلو است (VEB> 0)، در حالی که اتصال پایه کلکتور بایاس معکوس است (VCB <0). مطابق با

قانون مدار Kirchhoff، برای این دستگاه سه ترمینالی، تنها دو جریان مستقل وجود دارد. اگر هر دو جریان شناخته شده باشد، جریان ترمینال سوم را می توان تعیین کرد.

ساختار و نماد مدار یک ترانزیستور دوقطبی npn مکمل ترانزیستور دوقطبی pnp است. نمودار زیر ساختار ایده آل و نماد مدار یک ترانزیستور pnp را نشان می دهد.

جایگزینی نواحی نوع p با نواحی نوع n و ناحیه نوع n با ناحیه نوع p در ساختار ترانزیستور دوقطبی pnp، ساختار یک ترانزیستور دوقطبی npn را به دست می‌دهد. بنابراین، جهت جریان و قطبیت ولتاژ نیز معکوس است.

با درک ترانزیستور pnp، می توان ترانزیستور npn را به سادگی با تعویض انواع قطبیت و دوپینگ توصیف کرد.

IV. حالت تقویت ترانزیستور دوقطبی

نمودار (a) ترانزیستور دوقطبی pnp ایده‌آل را در تعادل حرارتی نشان می‌دهد، که در آن سه پایانه آن به هم و یا همگی به زمین متصل هستند، با مناطق سایه‌دار نشان‌دهنده مناطق تخلیه دو اتصال pn است.

نمودار (ب) غلظت ناخالصی را در سه ناحیه دوپینگ نشان می دهد، به طوری که ناحیه امیتر دارای غلظت دوپینگ بسیار بالاتری نسبت به ناحیه کلکتور است و ناحیه پایه دارای غلظت کمتر از قطره چکان اما بالاتر از کلکتور است.

نمودار (c) توزیع میدان الکتریکی را در ناحیه تخلیه نشان می دهد.

نمودار (d) نمودار باند انرژی ترانزیستور را نشان می دهد که حالت تعادل حرارتی اتصالات pn را گسترش می دهد و آن را به دو اتصال p+ - n جفت شده مجاور و پیوند n - p اعمال می کند.

نمودار زیر مربوط به ترانزیستور است که در حالت تقویت همانطور که در تصویر قبلی نشان داده شده است.

نمودار (a) ترانزیستور متصل به عنوان یک تقویت کننده پیکربندی پایه مشترک را نشان می دهد، جایی که پایه بین مدارهای ورودی و خروجی مشترک است.

نمودارهای (b) و (c) چگالی بار و توزیع میدان الکتریکی را در شرایط بایاس در مقایسه با حالت تعادل حرارتی نشان‌داده‌شده در نمودار قبلی نشان می‌دهند. عرض ناحیه تخلیه در اتصال امیتر-پایه باریک می شود، در حالی که ناحیه تخلیه در اتصال جمع کننده-پایه گسترده می شود.

نمودار (d) نمودار باند انرژی ترانزیستور را نشان می دهد که در حالت تقویت کار می کند. اتصال امیتر-پایه بایاس رو به جلو است و باعث می شود سوراخ هایی از ناحیه امیتر p+ به ناحیه پایه تزریق شود و الکترون ها از ناحیه پایه به ناحیه امیتر تزریق شوند.

در یک دیود ایده آل، جریان نوترکیبی تولید در ناحیه تخلیه وجود ندارد، بنابراین سوراخ های تزریق شده از ناحیه امیتر به ناحیه پایه و الکترون های تزریق شده از ناحیه پایه به ناحیه امیتر، جریان امیتر را تشکیل می دهند.

از سوی دیگر، اتصال پایه کلکتور بایاس معکوس است و به جریان اشباع معکوس اجازه می دهد. اگر ناحیه پایه به اندازه کافی باریک باشد، سوراخ‌های تزریق شده از ناحیه امیتر به ناحیه پایه می‌توانند از طریق ناحیه پایه منتشر شده و به لبه منطقه تخلیه پایه کلکتور برسند، و در نهایت در ناحیه کلکتور تحت بایاسینگ کلکتور جریان پیدا کنند. اتصال پایه

این مکانیسم حمل و نقل باعث ایجاد نام "امیتر" برای تزریق حامل های بار و "کلکتور" برای جمع آوری حامل های تزریق شده از اتصال مجاور می شود.

اگر بیشتر حفره‌های تزریق شده با الکترون‌های ناحیه پایه ترکیب نشوند اما به کلکتور برسند، جریان کلکتور ناشی از سوراخ‌ها با جریان حفره امیتر مطابقت دارد.

بدیهی است که سوراخ های تزریق شده از اتصال امیتر-پایه مجاور می توانند جریان قابل توجهی را در اتصال پایه کلکتور با بایاس معکوس ایجاد کنند که منجر به اثر تقویت ترانزیستور می شود، که تنها زمانی رخ می دهد که این دو اتصال به اندازه کافی به هم نزدیک باشند. از این رو به عنوان اتصالات pn تعاملی نامیده می شود.

برعکس، اگر این دو اتصال pn بیش از حد از هم دور باشند، همه حفره‌های ورودی با الکترون‌های ناحیه پایه دوباره ترکیب می‌شوند و به ناحیه کلکتور نمی‌رسند و در نتیجه اثر تقویتی ترانزیستور ایجاد نمی‌شود. در این مورد، ساختار pnp به سادگی به عنوان دو دیود pn متصل پشت به پشت عمل می کند.

بهره جریان: نمودار زیر اجزای مختلف جریان را در یک ترانزیستور pnp ایده آل که در حالت تقویت کار می کند، نشان می دهد. با فرض عدم وجود جریان نوترکیب تولید در ناحیه تخلیه، سوراخ‌های تزریق شده از ناحیه امیتر جزء جریان غالب IEp را تشکیل می‌دهند.

بیشتر سوراخ های برخوردی به الکترود کلکتور می رسند و ICp را تشکیل می دهند.

سه جریان در پایه وجود دارد: IBB، IEn و ICn.

IBB نشان‌دهنده جریان الکترون‌های عرضه‌شده توسط پایه است که با حفره‌های فرودی دوباره ترکیب می‌شوند (یعنی IBB = IEp - ICp). IEn نشان‌دهنده جریان الکترون‌هایی است که از ناحیه پایه به ناحیه امیتر تزریق می‌شود، که یک جزء جریان نامطلوب است که می‌تواند با دوپینگ شدید امیتر یا با استفاده از اتصالات ناهمگون کاهش یابد. ICn نشان دهنده جریان الکترونی است که در نزدیکی محل اتصال جمع کننده به دلیل اثرات حرارتی ایجاد می شود و از ناحیه کلکتور به ناحیه پایه جریان می یابد.

حالت های عملیاتی: بسته به ولتاژهای بایاس در پیوند امیتر-پایه و پیوند کلکتور-پایه، ترانزیستورهای دوقطبی چهار حالت کار دارند.

نمودار زیر چهار حالت عملکرد یک ترانزیستور pnp و روابط آنها با VEB و VCB را نشان می دهد. توزیع حامل های اقلیت در هر حالت عملیاتی نیز در نمودار نشان داده شده است.

به عنوان مثال، در حالت تقویت، اتصال امیتر-پایه بایاس رو به جلو و پیوند جمع کننده-پایه بایاس معکوس است.

در حالت اشباع، هر دو اتصال ترانزیستور بایاس رو به جلو هستند، که منجر به حضور حامل های اقلیت در مناطق تخلیه هر دو اتصال می شود.

در حالت اشباع، یک ولتاژ کوچک می تواند منجر به جریان خروجی زیاد شود و ترانزیستور را در حالت رسانایی مشابه یک اتصال کوتاه قرار دهد.

در حالت قطع، هر دو اتصال ترانزیستور بایاس معکوس هستند که منجر به شرایط مرزی pn(0) = pn(W) = 0 می شود. ترانزیستور در حالت قطع می تواند به عنوان یک کلید در موقعیت باز (یا خاموش) دیده شود. .

در حالت معکوس، اتصال امیتر-پایه بایاس معکوس و اتصال پایه کلکتور بایاس رو به جلو است. در این حالت، الکترود کلکتور به عنوان امیتر عمل می کند و بالعکس. با این حال، افزایش جریان در حالت معکوس معمولاً کمتر از حالت تقویت است به دلیل غلظت کمتر دوپینگ در ناحیه کلکتور در مقایسه با ناحیه پایه، و در نتیجه «بازده انتشار» کمتری دارد.

فرآیند گذرا سوئیچینگ: در مدارهای دیجیتال، ترانزیستورها عمدتا به عنوان کلید عمل می کنند. با استفاده از یک جریان پایه کوچک، جریان کلکتور را می توان به سرعت از خاموش به روشن (و بالعکس) در مدت زمان بسیار کوتاهی تغییر داد. در حالت خاموش، ولتاژ بالا و جریان کم وجود دارد، در حالی که در حالت روشن، ولتاژ پایین و جریان بالا وجود دارد.

ترانزیستورهای دوقطبی ناهمگون (HBT)

ترانزیستورهای دوقطبی ناهمگون (HBT) به ترانزیستورهایی اطلاق می شود که در آنها یک یا هر دو اتصال از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده اند.

مزیت اصلی HBT ها راندمان انتشار بالای آنها است و مشابه ترانزیستورهای دوقطبی استفاده می شوند. با این حال، HBT ها سرعت بالاتری دارند و می توانند در فرکانس های بالاتر کار کنند. با توجه به این ویژگی ها، HBT ها به طور گسترده در اپتوالکترونیک، مایکروویو و کاربردهای دیجیتال استفاده می شوند. در کاربردهای مایکروویو، HBT ها معمولاً برای تولید تقویت کننده های توان مایکروویو حالت جامد و امواج میلی متری، نوسان سازها و میکسرها استفاده می شوند.

ساختار پایه HBT: بیشتر فناوری های HBT در سیستم مواد AlxGa1-xAs/GaAs توسعه یافته اند. ساختار اصلی npn HBT شامل یک لایه باند پهن AlxGa1-xAs در ناحیه تابنده نوع n، یک لایه GaAs باند باریکتر در ناحیه پایه نوع p، و مناطق کلکتور و جمع کننده فرعی نوع n ساخته شده از کمی دوپ شده و به شدت دوپ شده است. GaAs به ترتیب.

برای تشکیل یک تماس اهمی، یک لایه آرسنید گالیم از نوع n بسیار دوپ شده بین تماس امیتر و لایه آرسنید گالیم آلومینیوم اضافه می شود. با توجه به تفاوت قابل توجه در عرض باند بین مناطق امیتر و پایه، بهره جریان امیتر مشترک را می توان به طور قابل توجهی افزایش داد. در مقابل، ترانزیستورهای دوقطبی همجنبه دارای چنین اختلاف عرض باند نیستند و بنابراین، نسبت غلظت دوپینگ بین مناطق امیتر و پایه باید به طور قابل توجهی افزایش یابد. این تفاوت اساسی، همجنس گرا را از ترانزیستورهای دوقطبی ناهمگون جدا می کند.

HBT های پیشرفته: در سال های اخیر، مواد از سری InP (مانند InP/InGaAs یا AlInAs/InGaAs) به طور سیستماتیک مورد بررسی قرار گرفته اند و ناهمساختارهای مبتنی بر InP مزایای متعددی را ارائه می دهند. ساختار InP/InGaAs بازترکیب سطحی بسیار پایینی را نشان می‌دهد و تحرک الکترون InGaAs بسیار بالاتر از GaAs است که در نتیجه عملکرد فرکانس بالا عالی است.

نمودار زیر منحنی مشخصه یک HBT مبتنی بر ایندیم فسفید معمولی را با فرکانس قطع تا ۲۵۴ گیگاهرتز نشان می‌دهد. علاوه بر این، InP سرعت رانش بالاتری نسبت به GaAs تحت میدان های الکتریکی قوی نشان می دهد و همچنین دارای ولتاژ شکست بالاتری است.

نوع دیگر هتروجانکشن، سیستم مواد Si/SiGe است که چندین ویژگی جذاب را برای کاربردهای HBT ارائه می دهد. مشابه AlGaAs/GaAs HBT، Si/SiGe HBT همچنین از توانایی دوپ شدید به دلیل اختلاف عرض باند بهره می برد و در نتیجه عملکرد با سرعت بالا را به همراه دارد.

چگالی کم تله های رابط سیلیکونی به کاهش جریان نوترکیب سطح کمک می کند و از افزایش جریان بالا حتی در جریان های کم کلکتور اطمینان می دهد. علاوه بر این، سازگاری با فناوری پردازش استاندارد سیلیکون یکی دیگر از ویژگی های بسیار جذاب است.

نمودار در (الف) یک ساختار معمولی Si/SiGe HBT را نشان می‌دهد، در حالی که (ب) جریان کلکتور Si/SiGe HBT را با جریان یک ترانزیستور دوقطبی همجنس سیلیکونی مقایسه می‌کند و نشان می‌دهد که Si/SiGe HBT افزایش جریان بیشتری را نشان می‌دهد. در مقایسه با آرسنید گالیم و HBT های مبتنی بر فسفید ایندیم، Si/SiGe

HBT به دلیل تحرک کمتر حامل سیلیکون، فرکانس قطع کمتری دارد.

بخش ششم: دستگاه‌های تریستور و دستگاه‌های قدرت مرتبط

دستگاه‌های تریستور اجزای مهم قدرتی هستند که قادر به کنترل ولتاژ بالا و جریان بالا هستند و دستگاه را قادر می‌سازند از حالت بسته یا مسدود به حالت باز یا رسانا و برعکس تبدیل شود. عملکرد آنها ارتباط نزدیکی با ترانزیستورهای دوقطبی دارد که شامل هدایت الکترون ها و حفره ها می شود.

با این حال، مکانیسم سوئیچینگ و ساختار آنها با ترانزیستورهای دوقطبی متفاوت است و طیف گسترده ای از قابلیت های کنترل جریان و ولتاژ را ارائه می دهد. جریان نامی می تواند از چند میلی آمپر تا بیش از 5000 آمپر و با ولتاژ نامی بیش از 10,000 ولت متغیر باشد.

ویژگی های اساسی: نمودار زیر سطح مقطع یک دستگاه تریستور را نشان می دهد که از یک ساختار pnpn چهار لایه تشکیل شده است که توسط سه اتصال pn متصل به سری به نام های J1، J2 و J3 تشکیل شده است. خارجی ترین لایه p متصل به الکترود تماسی آند نامیده می شود، در حالی که لایه n طرف دیگر به عنوان کاتد شناخته می شود. این ساختار بدون الکترودهای اضافی نشان دهنده یک دستگاه دو ترمینالی است و به دیود pnpn معروف است.

اگر الکترود دیگری که به نام گیت شناخته می شود به لایه داخلی p2 متصل شود، دستگاه سه ترمینالی حاصل را یکسو کننده نیمه هادی کنترل شده (SCR) یا تریستور می نامند.

نمودار موجود در (ب) مشخصات دوپینگ معمولی یک دستگاه تریستور را نشان می دهد. این کار با یک ویفر سیلیکونی با مقاومت بالا از نوع n به عنوان ماده اولیه (لایه n) شروع می شود و به دنبال آن یک مرحله انتشار به طور همزمان لایه های p1 و p2 را تشکیل می دهد. در نهایت، از آلیاژ یا انتشار برای ایجاد لایه n2 در یک طرف ویفر سیلیکونی استفاده می شود.

نمودار (c) نمودار باند انرژی دستگاه تریستور را در تعادل حرارتی نشان می دهد. هر اتصال دارای یک لایه تخلیه است و پتانسیل داخلی با غلظت دوپینگ تعیین می شود.

این نمودار کاربرد ساده یک دستگاه تریستور را نشان می دهد که می تواند توان تحویلی از خط برق را به بار تنظیم کند. برای مثال، بار، RL، می تواند یک لامپ یا بخاری باشد. توان تحویلی به بار در هر سیکل توسط پالس جریان دروازه دستگاه تریستور کنترل می شود.

اگر پالس جریان گیت نزدیک به ابتدای هر سیکل اعمال شود، توان بیشتری به بار منتقل می شود. برعکس، تأخیر در پالس جریان گیت منجر به کاهش قابل توجه توانی می شود که به بار تحویل داده می شود، زیرا دستگاه تریستور در پایان چرخه هدایت می کند.

این تمام اطلاعات مربوط به ترانزیستورهای دوقطبی است.

قبلی

همه چیز درباره نیمه هادی

بعدی

همه چیز در مورد فناوری Flip Chip