מוקד שירות
מְדוֹרַאי
מְדוֹרַאי
הכל על טרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJT)
2024-03-21
2597
מקורם של טרנזיסטורים בצומת דו-קוטבי
בטרנזיסטורי צומת דו-קוטביים מודרניים, סיליקון החליף את הגרמניום כמצע, ומגע נקודתי הוחלף בשני צמתים PN מצמודים סמוכים. המבנה יכול ללבוש צורה של pnp או npn.
טרנזיסטור, קיצור של "נגד העברה", הוא התקן מוליכים למחצה רב-צומתים. משולבים בדרך כלל עם רכיבי מעגל אחרים, טרנזיסטורים משמשים כדי להשיג הגברה של מתח, זרם או אות.
טרנזיסטורים דו-קוטביים, הידועים גם בתור טרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJTs), הם בין התקני המוליכים למחצה החשובים ביותר ומוצאים יישומים רחבים במעגלים מהירים, מעגלים אנלוגיים, הגברת הספק ועוד.
לדוגמה, מוליך למחצה מסוג p הוא כמו חתיכת חימר מרובעת מלאה בחורים רבים (הידועים כחורי אלקטרונים), בדומה למחילות הנראות בלובסטרים. מוליך למחצה מסוג n הוא גם פיסת חימר מרובעת, אך היא מלאה בלובסטרים רבים (אלקטרונים חופשיים). כאשר נדביק את שתי פיסות החימר הללו יחד, הלובסטרים יזחלו לעבר המאורות.
מכיוון שהמאורות בשורות הראשונות כבר כמעט מדוללות, תעשיית המוליכים למחצה מתייחסת לאזור זה כאזור הדלדול.
זה כמו דלת: קל לאדם לדחוף את הדלת לכיוון אחד, אבל זה קשה אם אתה מנסה לדחוף אותה לכיוון ההפוך. כמובן, אתה יכול להשתמש בכוח גדול כדי לדחוף באלימות את הדלת עד שהיא נשברת, תהליך שאנו מתייחסים אליו כאל התמוטטות של הצומת.
בהסתכלות על מאפייני הזרם-מתח של צומת PN, העקומה היא כפי שמוצג בתרשים שלהלן.
כאשר הטיה הפוכה מופעלת על צומת PN, זה כמו לתת ללובסטרים טלסקופים בבוץ. הלובסטרים יכולים לראות רחוק יותר ולזחול בהתרגשות רבה יותר, מה שמוביל לכך שיותר לובסטרים מוצאים מאורות. כתוצאה מכך, התנועה הכוללת של הלובסטרים גדלה, ורוחב אזור הדלדול של המוליך למחצה מתרחב.
התרשים שלהלן מציג תצוגת פרספקטיבה של טרנזיסטור דו-קוטבי pnp. תהליך הייצור כולל שימוש במוליך למחצה מסוג p כמצע, תוך ניצול עקרון הדיפוזיה התרמית ליצירת אזור מסוג n על המצע מסוג p. לאחר מכן, אזור מסוג p+ בריכוז גבוה נוצר על אזור מסוג n זה באמצעות דיפוזיה תרמית. לבסוף, מתכת משמשת לכיסוי ה-p+, n והאזורים הבסיסיים מסוג p ליצירת מגעים אוהם.
האזור הצר הבינוני מסוג n, עם ריכוז טומאה בינוני, נקרא בסיס (מסומן ב-B), ורוחב אזור הבסיס צריך להיות קטן בהרבה מאורך הדיפוזיה של נשאי מיעוט;
האזור עם הריכוז הנמוך ביותר של סוג p נקרא האספן (מסומן ב-C). בהנחה של חלוקה אחידה של ריכוזים בתוך כל אזור, ניתן ליישם את הרעיון של צומת pn ישירות על הצמתים בתוך הטרנזיסטור.
החלפת האזורים מסוג p באזורים מסוג n ואת האזור מסוג n באזור מסוג p במבנה של טרנזיסטור דו קוטבי pnp מניבה מבנה של טרנזיסטור דו קוטבי npn. לכן, גם כיוון הזרם וקוטביות המתח הפוכים.
הדיאגרמה (א) מציגה את הטרנזיסטור הדו-קוטבי pnp האידיאלי בשיווי משקל תרמי, כאשר שלושת המסופים שלו מחוברים יחד או כולם מחוברים לאדמה, כאשר אזורים מוצללים מייצגים את אזורי הדלדול של שני חיבורי ה-pn.
תרשים (ב) ממחיש את ריכוזי הטומאה בשלושת האזורים המסוימים, כאשר לאזור הפולט יש ריכוז סימום גבוה בהרבה מאזור הקולט, ובאזור הבסיס יש ריכוז נמוך מהפולט אך גבוה מהקולטן.
תרשים (ג) מתאר את התפלגות השדה החשמלי באזור הדלדול.
תרשים (ד) מציג את דיאגרמת פס האנרגיה של הטרנזיסטור, מרחיב את מצב שיווי המשקל התרמי של צמתי pn ומחיל אותו על שני הצמתים הצמודים p+ - n וצומת n - p.
תרשים (א) מציג את הטרנזיסטור המחובר כמגבר תצורת בסיס משותף, כאשר הבסיס משותף בין מעגלי הקלט והמוצא.
דיאגרמות (ב) ו-(ג) ממחישות את צפיפות המטען וחלוקת השדה החשמלי בתנאי הטיה, בהשוואה למצב שיווי המשקל התרמי המתואר בתרשים הקודם. רוחב אזור הדלדול בצומת הפולט-בסיס מצטמצם, בעוד שאזור הדלדול בצומת האספן-בסיס מתרחב.
תרשים (ד) מציג את דיאגרמת פס האנרגיה של הטרנזיסטור הפועל במצב הגברה. צומת הפולט-בסיס מוטה קדימה, מה שגורם לחורים להיות מוזרקים מאזור פולט p+ לאזור הבסיס, ולאקטרונים להזרקת מאזור הבסיס לאזור הפולט.
מצד שני, צומת האספן-בסיס מוטה הפוכה, מה שמאפשר לזרם רוויה הפוך. אם אזור הבסיס צר מספיק, החורים המוזרקים מאזור הפולטים לאזור הבסיס יכולים להתפזר דרך אזור הבסיס ולהגיע לקצה אזור דלדול האספן-בסיס, ולבסוף לזרום דרך אזור האספן תחת הטיה של האספן- צומת בסיס.
מנגנון הובלה זה מוליד את השמות "פולט" להזרקת נושאי מטען ו"קולט" לאיסוף מנשאים המוזרקים מהצומת הסמוך.
אם רוב החורים המוזרקים אינם מתחברים מחדש עם אלקטרונים באזור הבסיס אלא מגיעים לקולט, זרם הקולט עקב חורים יתאים באופן הדוק לזרם החור הפולט.
ברור שהחורים המוזרקים מהצומת הפולט-בסיס הסמוך יכולים ליצור זרם משמעותי בצומת האספן-בסיס ההפוכה, מה שמוביל לאפקט ההגברה של הטרנזיסטור, המתרחש רק כאשר שני הצמתים הללו קרובים זה לזה מספיק, מכונים לפיכך כצמתי pn מתקשרים.
לעומת זאת, אם שני צמתי ה-pn הללו רחוקים מדי זה מזה, כל החורים הנכנסים יתחברו מחדש עם אלקטרונים באזור הבסיס ולא יגיעו לאזור הקולט, וכתוצאה מכך לא תהיה אפקט הגברה של הטרנזיסטור. במקרה זה, מבנה ה-pnp פשוט פועל כשתי דיודות pn המחוברות גב אל גב.
רווח זרם: התרשים שלהלן ממחיש את רכיבי הזרם השונים בטרנזיסטור pnp אידיאלי הפועל במצב הגברה. בהנחה שאין זרם יצירת-רקומבינציה באזור הדלדול, החורים המוזרקים מאזור הפולט מהווים את רכיב הזרם השולט IEp.
ישנם שלושה זרמים בבסיס: IBB, IEN ו-ICn.
IBB מייצג את זרם האלקטרונים המסופקים על ידי הבסיס שמתחברים מחדש עם החורים המתרחשים (כלומר, IBB = IEp - ICp); IEN מייצג את זרם האלקטרונים המוזרקים מאזור הבסיס לאזור הפולט, שהוא רכיב זרם לא רצוי שניתן להפחיתו על ידי סימום כבד של הפולט או באמצעות הטרוג'נקציות; ICn מייצג את זרם האלקטרונים שנוצר ליד צומת האספן עקב השפעות תרמיות, הזורם מאזור האספן לאזור הבסיס.
מצבי פעולה: בהתאם למתחי ההטיה בצומת בסיס פולט וצומת בסיס קולט, לטרנזיסטורים דו-קוטביים יש ארבעה מצבי פעולה.
התרשים שלהלן ממחיש את ארבעת מצבי הפעולה של טרנזיסטור pnp ואת היחסים שלהם עם VEB ו-VCB. התפלגות נשאי המיעוטים בכל מצב פעולה מוצגת גם בתרשים.
לדוגמה, במצב הגברה, צומת הפולט-בסיס מוטה קדימה, וצומת האספן-בסיס מוטה לאחור.
במצב הרוויה, שני הצמתים של הטרנזיסטור מוטים קדימה, מה שמוביל לנוכחות של נושאי מיעוט באזורי הדלדול של שני הצמתים.
במצב רוויה, מתח קטן יכול לגרום לזרם פלט גדול, להכניס את הטרנזיסטור למצב מוליך הדומה לקצר חשמלי.
במצב חיתוך, שני הצמתים של הטרנזיסטור מוטים הפוכה, מה שמוביל לתנאי גבול של pn(0) = pn(W) = 0. ניתן לראות את הטרנזיסטור במצב חיתוך כמתג במצב פתוח (או כבוי) .
במצב הפוך, צומת הפולט-בסיס מוטה לאחור, וצומת האספן-בסיס מוטה קדימה. במצב זה, אלקטרודת האספן מתפקדת כפולט ולהיפך. עם זאת, רווח הזרם במצב הפוך הוא בדרך כלל קטן יותר מאשר במצב הגברה בשל ריכוז הסימום הנמוך יותר באזור הקולט בהשוואה לאזור הבסיס, וכתוצאה מכך "יעילות פליטה" נמוכה יותר.
תהליך חולף מיתוג: במעגלים דיגיטליים, טרנזיסטורים פועלים בעיקר כמתגים. על ידי שימוש בזרם בסיס קטן, ניתן לשנות את זרם האספן במהירות מכבוי להפעלה (ולהיפך) תוך זמן קצר מאוד. במצב כבוי יש מתח גבוה וזרם נמוך, בעוד במצב מופעל יש מתח נמוך וזרם גבוה.
טרנזיסטורים דו-קוטביים הטרוצונקטיביים (HBT)
טרנזיסטורים דו-קוטביים הטרוצונצ'ינג (HBT) מתייחסים לטרנזיסטורים שבהם צומת אחד או שניהם עשויים מחומרים מוליכים למחצה שונים.
היתרון העיקרי של HBTs הוא יעילות הפליטה הגבוהה שלהם, והם משמשים בדומה לטרנזיסטורים דו-קוטביים. עם זאת, ל-HBT יש מהירות גבוהה יותר ויכולים לפעול בתדרים גבוהים יותר. בשל מאפיינים אלה, HBTs נמצאים בשימוש נרחב ביישומים אופטו-אלקטרוניקה, מיקרוגל ויישומים דיגיטליים. ביישומי מיקרוגל, HBTs משמשים בדרך כלל לייצור מגברי כוח, מתנדים ומיקסרים של מיקרוגל וגלי מילימטר.
מבנה HBT בסיסי: רוב טכנולוגיות HBT מפותחות במערכת החומרים AlxGa1-xAs/GaAs. המבנה הבסיסי של npn HBT מורכב משכבת פס רחב של AlxGa1-xAs באזור פולט מסוג n, שכבת GaAs צר יותר פסי פס באזור הבסיס מסוג p, ואזורי אספן ותת-אספן מסוג n העשויים מסוממים קלות ומסוימים בכבדות. GaAs, בהתאמה.
HBTs מתקדמים: בשנים האחרונות, חומרים מסדרת InP (כגון InP/InGaAs או AlInAs/InGaAs) נחקרו באופן שיטתי, והטרו-מבנים מבוססי InP מציעים יתרונות רבים. מבנה InP/InGaAs מפגין רקומבינציה משטח נמוכה במיוחד, וניידות האלקטרונים של InGaAs גבוהה בהרבה מזו של GaAs, וכתוצאה מכך ביצועים מצוינים בתדר גבוה.
הגרף שלהלן מתאר את העקומה האופיינית של HBT טיפוסי מבוסס אינדיום פוספיד, עם תדר חיתוך המגיע עד 254 GHz. בנוסף, InP מדגים מהירות סחיפה גבוהה יותר מ-GaAs תחת שדות חשמליים חזקים ויש לו גם מתח פירוק גבוה יותר.
הצפיפות הנמוכה של מלכודות ממשק הסיליקון עוזרת להפחית את זרם ריקומבינציה פני השטח, ומבטיחה רווח זרם גבוה אפילו בזרמי אספן נמוכים. בנוסף, תאימות עם טכנולוגיית עיבוד סיליקון סטנדרטית היא תכונה אטרקטיבית נוספת.
הדיאגרמה ב-(א) ממחישה מבנה Si/SiGe HBT טיפוסי, בעוד ש-(ב) משווה את זרם הקולטור של ה-Si/SiGe HBT לזה של טרנזיסטור דו-קוטבי הומג'נקי סיליקון, ומראה שה-Si/SiGe HBT מציג רווח זרם גבוה יותר. בהשוואה ל-HBTs מבוססי גליום ארסניד ואינדיום פוספיד, ה-Si/SiGe
ל-HBT תדירות חיתוך נמוכה יותר בשל ניידות הנשא הנמוכה יותר של סיליקון.
מאפיינים בסיסיים: התרשים שלהלן ממחיש את חתך הרוחב של התקן תיריסטור, המורכב ממבנה pnpn בן ארבע שכבות שנוצר על ידי שלושה צמתים pn המחוברים בטור, דהיינו J1, J2 ו-J3. שכבת ה-p החיצונית ביותר המחוברת לאלקטרודת המגע נקראת אנודה, בעוד ששכבת ה-n בצד השני מכונה קתודה. מבנה זה, ללא אלקטרודות נוספות, מייצג התקן בעל שני הדקים ומוכר כדיודת pnpn.
תרשים (ג) ממחיש את דיאגרמת פס האנרגיה של מכשיר התיריסטור בשיווי משקל תרמי. לכל צומת יש שכבת דלדול, והפוטנציאל המובנה נקבע לפי ריכוז הסימום.
אם דופק זרם השער מופעל קרוב לתחילת כל מחזור, יותר כוח יועבר לעומס. לעומת זאת, עיכוב דופק זרם השער תגרום להפחתה משמעותית של הספק לעומס כאשר התקן התיריסטור מוליך לקראת סוף המחזור.
טרנזיסטור הצומת הדו-קוטבי הומצא על ידי צוות מחקר במעבדות בל בשנת 1947. הטרנזיסטור הראשון היה מורכב משני חוטי מתכת עם נקודות קצה חדות היוצרות מגע נקודתי עם מצע גרמניום. בעודו פרימיטיבי בסטנדרטים של היום, הטרנזיסטור הראשון הזה שינה משמעותית את כל תעשיית האלקטרוניקה ואת דרך החיים של האנושות.
בטרנזיסטורי צומת דו-קוטביים מודרניים, סיליקון החליף את הגרמניום כמצע, ומגע נקודתי הוחלף בשני צמתים PN מצמודים סמוכים. המבנה יכול ללבוש צורה של pnp או npn.
טרנזיסטור, קיצור של "נגד העברה", הוא התקן מוליכים למחצה רב-צומתים. משולבים בדרך כלל עם רכיבי מעגל אחרים, טרנזיסטורים משמשים כדי להשיג הגברה של מתח, זרם או אות.
טרנזיסטורים דו-קוטביים, הידועים גם בתור טרנזיסטורי צומת דו-קוטביים (BJTs), הם בין התקני המוליכים למחצה החשובים ביותר ומוצאים יישומים רחבים במעגלים מהירים, מעגלים אנלוגיים, הגברת הספק ועוד.
מהו צומת PN?
זהו צומת שנוצר על ידי המגע בין מוליך למחצה מסוג p ומוליך למחצה מסוג n.
לדוגמה, מוליך למחצה מסוג p הוא כמו חתיכת חימר מרובעת מלאה בחורים רבים (הידועים כחורי אלקטרונים), בדומה למחילות הנראות בלובסטרים. מוליך למחצה מסוג n הוא גם פיסת חימר מרובעת, אך היא מלאה בלובסטרים רבים (אלקטרונים חופשיים). כאשר נדביק את שתי פיסות החימר הללו יחד, הלובסטרים יזחלו לעבר המאורות.
הלובסטרים הקדמיים ביותר הם הראשונים למצוא את המאורות בשורה הראשונה. לאחר שהלובסטרים בשורה הראשונה זחלו לתוך המאורות, הלובסטרים שמאחוריהם צריכים לטפס רחוק יותר ולהתמודד עם קושי גדול יותר למצוא מחילות.
מכיוון שהמאורות בשורות הראשונות כבר כמעט מדוללות, תעשיית המוליכים למחצה מתייחסת לאזור זה כאזור הדלדול.
לצומת PN יש מאפיין הנקרא יישור, המאפשר לזרם לזרום בכיוון אחד בלבד.
זה כמו דלת: קל לאדם לדחוף את הדלת לכיוון אחד, אבל זה קשה אם אתה מנסה לדחוף אותה לכיוון ההפוך. כמובן, אתה יכול להשתמש בכוח גדול כדי לדחוף באלימות את הדלת עד שהיא נשברת, תהליך שאנו מתייחסים אליו כאל התמוטטות של הצומת.
בהסתכלות על מאפייני הזרם-מתח של צומת PN, העקומה היא כפי שמוצג בתרשים שלהלן.
כאשר הטיה קדימה מופעלת על צומת PN, זה כמו לשים כיסויי עיניים על הלובסטרים בבוץ. הלובסטרים הופכים לקוצר רואי ורואים רק את המאורות בשורה הראשונה. כתוצאה מכך התנועה הכוללת של הלובסטרים פוחתת, ומספר הלובסטרים הזוחלים לכיוון המאורות פוחת אף הוא, מה שמקטין את רוחב אזור הדלדול.
כאשר הטיה הפוכה מופעלת על צומת PN, זה כמו לתת ללובסטרים טלסקופים בבוץ. הלובסטרים יכולים לראות רחוק יותר ולזחול בהתרגשות רבה יותר, מה שמוביל לכך שיותר לובסטרים מוצאים מאורות. כתוצאה מכך, התנועה הכוללת של הלובסטרים גדלה, ורוחב אזור הדלדול של המוליך למחצה מתרחב.
באיור למטה, (א) מייצג את הרוחב הרגיל של אזור הדלדול בצומת PN, (ב) מציג את הרוחב לאחר החלת הטיה קדימה, ו-(ג) מציג את הרוחב לאחר החלת הטיה הפוכה.
המבנה של טרנזיסטור דו קוטבי:
התרשים שלהלן מציג תצוגת פרספקטיבה של טרנזיסטור דו-קוטבי pnp. תהליך הייצור כולל שימוש במוליך למחצה מסוג p כמצע, תוך ניצול עקרון הדיפוזיה התרמית ליצירת אזור מסוג n על המצע מסוג p. לאחר מכן, אזור מסוג p+ בריכוז גבוה נוצר על אזור מסוג n זה באמצעות דיפוזיה תרמית. לבסוף, מתכת משמשת לכיסוי ה-p+, n והאזורים הבסיסיים מסוג p ליצירת מגעים אוהם.
הטרנזיסטור הדו-קוטבי pnp מורכב משלושה אזורים עם ריכוזי סימום שונים, היוצרים שני צמתים pn. אזור הריכוז הגבוה ביותר p+ נקרא פולט (מסומן ב-E);
האזור הצר הבינוני מסוג n, עם ריכוז טומאה בינוני, נקרא בסיס (מסומן ב-B), ורוחב אזור הבסיס צריך להיות קטן בהרבה מאורך הדיפוזיה של נשאי מיעוט;
האזור עם הריכוז הנמוך ביותר של סוג p נקרא האספן (מסומן ב-C). בהנחה של חלוקה אחידה של ריכוזים בתוך כל אזור, ניתן ליישם את הרעיון של צומת pn ישירות על הצמתים בתוך הטרנזיסטור.
התרשים שלהלן מציג את סמל המעגל של טרנזיסטור דו-קוטבי pnp, המציין את רכיבי הזרם השונים וקוטביות המתח. החצים וסמלי "+" ו-"–" מייצגים את כיווני הזרמים והקוטביות של המתחים במצב העבודה הכללי (כלומר, מצב הגברה, מצב אקטיבי) של הטרנזיסטור. במצב זה, צומת הפולט-בסיס מוטה קדימה (VEB > 0), בעוד שצומת האספן-בסיס מוטה לאחור (VCB < 0). לפי
חוק המעגל של קירכהוף, עבור התקן תלת-טרמינלי זה, ישנם רק שני זרמים בלתי תלויים; אם ידועים שני זרמים כלשהם, ניתן לקבוע את זרם הטרמינל השלישי.
חוק המעגל של קירכהוף, עבור התקן תלת-טרמינלי זה, ישנם רק שני זרמים בלתי תלויים; אם ידועים שני זרמים כלשהם, ניתן לקבוע את זרם הטרמינל השלישי.
המבנה וסמל המעגל של טרנזיסטור דו-קוטבי npn משלימים לאלו של טרנזיסטור דו-קוטבי pnp. התרשים שלהלן מציג את המבנה האידיאלי וסמל המעגל של טרנזיסטור pnp.
החלפת האזורים מסוג p באזורים מסוג n ואת האזור מסוג n באזור מסוג p במבנה של טרנזיסטור דו קוטבי pnp מניבה מבנה של טרנזיסטור דו קוטבי npn. לכן, גם כיוון הזרם וקוטביות המתח הפוכים.
הבנת הטרנזיסטור pnp, אפשר לתאר את הטרנזיסטור npn פשוט על ידי החלפת סוגי הקוטביות והסימום.
IV. מצב הגברה של טרנזיסטור דו-קוטבי
הדיאגרמה (א) מציגה את הטרנזיסטור הדו-קוטבי pnp האידיאלי בשיווי משקל תרמי, כאשר שלושת המסופים שלו מחוברים יחד או כולם מחוברים לאדמה, כאשר אזורים מוצללים מייצגים את אזורי הדלדול של שני חיבורי ה-pn.
תרשים (ב) ממחיש את ריכוזי הטומאה בשלושת האזורים המסוימים, כאשר לאזור הפולט יש ריכוז סימום גבוה בהרבה מאזור הקולט, ובאזור הבסיס יש ריכוז נמוך מהפולט אך גבוה מהקולטן.
תרשים (ג) מתאר את התפלגות השדה החשמלי באזור הדלדול.
תרשים (ד) מציג את דיאגרמת פס האנרגיה של הטרנזיסטור, מרחיב את מצב שיווי המשקל התרמי של צמתי pn ומחיל אותו על שני הצמתים הצמודים p+ - n וצומת n - p.
התרשים הבא מתאים לטרנזיסטור הפועל במצב הגברה כפי שמתואר באיור הקודם.
תרשים (א) מציג את הטרנזיסטור המחובר כמגבר תצורת בסיס משותף, כאשר הבסיס משותף בין מעגלי הקלט והמוצא.
דיאגרמות (ב) ו-(ג) ממחישות את צפיפות המטען וחלוקת השדה החשמלי בתנאי הטיה, בהשוואה למצב שיווי המשקל התרמי המתואר בתרשים הקודם. רוחב אזור הדלדול בצומת הפולט-בסיס מצטמצם, בעוד שאזור הדלדול בצומת האספן-בסיס מתרחב.
תרשים (ד) מציג את דיאגרמת פס האנרגיה של הטרנזיסטור הפועל במצב הגברה. צומת הפולט-בסיס מוטה קדימה, מה שגורם לחורים להיות מוזרקים מאזור פולט p+ לאזור הבסיס, ולאקטרונים להזרקת מאזור הבסיס לאזור הפולט.
בדיודה אידיאלית, אין זרם רקומבינציה של דור באזור הדלדול, ולכן החורים המוזרקים מאזור הפולט לאזור הבסיס והאלקטרונים המוזרקים מאזור הבסיס לאזור הפולט יוצרים את זרם הפולט.
מצד שני, צומת האספן-בסיס מוטה הפוכה, מה שמאפשר לזרם רוויה הפוך. אם אזור הבסיס צר מספיק, החורים המוזרקים מאזור הפולטים לאזור הבסיס יכולים להתפזר דרך אזור הבסיס ולהגיע לקצה אזור דלדול האספן-בסיס, ולבסוף לזרום דרך אזור האספן תחת הטיה של האספן- צומת בסיס.
מנגנון הובלה זה מוליד את השמות "פולט" להזרקת נושאי מטען ו"קולט" לאיסוף מנשאים המוזרקים מהצומת הסמוך.
אם רוב החורים המוזרקים אינם מתחברים מחדש עם אלקטרונים באזור הבסיס אלא מגיעים לקולט, זרם הקולט עקב חורים יתאים באופן הדוק לזרם החור הפולט.
ברור שהחורים המוזרקים מהצומת הפולט-בסיס הסמוך יכולים ליצור זרם משמעותי בצומת האספן-בסיס ההפוכה, מה שמוביל לאפקט ההגברה של הטרנזיסטור, המתרחש רק כאשר שני הצמתים הללו קרובים זה לזה מספיק, מכונים לפיכך כצמתי pn מתקשרים.
לעומת זאת, אם שני צמתי ה-pn הללו רחוקים מדי זה מזה, כל החורים הנכנסים יתחברו מחדש עם אלקטרונים באזור הבסיס ולא יגיעו לאזור הקולט, וכתוצאה מכך לא תהיה אפקט הגברה של הטרנזיסטור. במקרה זה, מבנה ה-pnp פשוט פועל כשתי דיודות pn המחוברות גב אל גב.
רווח זרם: התרשים שלהלן ממחיש את רכיבי הזרם השונים בטרנזיסטור pnp אידיאלי הפועל במצב הגברה. בהנחה שאין זרם יצירת-רקומבינציה באזור הדלדול, החורים המוזרקים מאזור הפולט מהווים את רכיב הזרם השולט IEp.
רוב החורים המתרחשים יגיעו לאלקטרודת האספן ויצרו ICp.
ישנם שלושה זרמים בבסיס: IBB, IEN ו-ICn.
IBB מייצג את זרם האלקטרונים המסופקים על ידי הבסיס שמתחברים מחדש עם החורים המתרחשים (כלומר, IBB = IEp - ICp); IEN מייצג את זרם האלקטרונים המוזרקים מאזור הבסיס לאזור הפולט, שהוא רכיב זרם לא רצוי שניתן להפחיתו על ידי סימום כבד של הפולט או באמצעות הטרוג'נקציות; ICn מייצג את זרם האלקטרונים שנוצר ליד צומת האספן עקב השפעות תרמיות, הזורם מאזור האספן לאזור הבסיס.
מצבי פעולה: בהתאם למתחי ההטיה בצומת בסיס פולט וצומת בסיס קולט, לטרנזיסטורים דו-קוטביים יש ארבעה מצבי פעולה.
התרשים שלהלן ממחיש את ארבעת מצבי הפעולה של טרנזיסטור pnp ואת היחסים שלהם עם VEB ו-VCB. התפלגות נשאי המיעוטים בכל מצב פעולה מוצגת גם בתרשים.
לדוגמה, במצב הגברה, צומת הפולט-בסיס מוטה קדימה, וצומת האספן-בסיס מוטה לאחור.
במצב הרוויה, שני הצמתים של הטרנזיסטור מוטים קדימה, מה שמוביל לנוכחות של נושאי מיעוט באזורי הדלדול של שני הצמתים.
במצב רוויה, מתח קטן יכול לגרום לזרם פלט גדול, להכניס את הטרנזיסטור למצב מוליך הדומה לקצר חשמלי.
במצב חיתוך, שני הצמתים של הטרנזיסטור מוטים הפוכה, מה שמוביל לתנאי גבול של pn(0) = pn(W) = 0. ניתן לראות את הטרנזיסטור במצב חיתוך כמתג במצב פתוח (או כבוי) .
במצב הפוך, צומת הפולט-בסיס מוטה לאחור, וצומת האספן-בסיס מוטה קדימה. במצב זה, אלקטרודת האספן מתפקדת כפולט ולהיפך. עם זאת, רווח הזרם במצב הפוך הוא בדרך כלל קטן יותר מאשר במצב הגברה בשל ריכוז הסימום הנמוך יותר באזור הקולט בהשוואה לאזור הבסיס, וכתוצאה מכך "יעילות פליטה" נמוכה יותר.
תהליך חולף מיתוג: במעגלים דיגיטליים, טרנזיסטורים פועלים בעיקר כמתגים. על ידי שימוש בזרם בסיס קטן, ניתן לשנות את זרם האספן במהירות מכבוי להפעלה (ולהיפך) תוך זמן קצר מאוד. במצב כבוי יש מתח גבוה וזרם נמוך, בעוד במצב מופעל יש מתח נמוך וזרם גבוה.
טרנזיסטורים דו-קוטביים הטרוצונקטיביים (HBT)
טרנזיסטורים דו-קוטביים הטרוצונצ'ינג (HBT) מתייחסים לטרנזיסטורים שבהם צומת אחד או שניהם עשויים מחומרים מוליכים למחצה שונים.
היתרון העיקרי של HBTs הוא יעילות הפליטה הגבוהה שלהם, והם משמשים בדומה לטרנזיסטורים דו-קוטביים. עם זאת, ל-HBT יש מהירות גבוהה יותר ויכולים לפעול בתדרים גבוהים יותר. בשל מאפיינים אלה, HBTs נמצאים בשימוש נרחב ביישומים אופטו-אלקטרוניקה, מיקרוגל ויישומים דיגיטליים. ביישומי מיקרוגל, HBTs משמשים בדרך כלל לייצור מגברי כוח, מתנדים ומיקסרים של מיקרוגל וגלי מילימטר.
מבנה HBT בסיסי: רוב טכנולוגיות HBT מפותחות במערכת החומרים AlxGa1-xAs/GaAs. המבנה הבסיסי של npn HBT מורכב משכבת פס רחב של AlxGa1-xAs באזור פולט מסוג n, שכבת GaAs צר יותר פסי פס באזור הבסיס מסוג p, ואזורי אספן ותת-אספן מסוג n העשויים מסוממים קלות ומסוימים בכבדות. GaAs, בהתאמה.
כדי ליצור מגע אוהמי, מתווספת שכבת גליום ארסניד מסוג n מסוממת מאוד בין מגע הפולט לשכבת האלומיניום גליום ארסניד. בשל ההבדל המשמעותי ברוחב מרווח הפס בין אזורי הפולט והבסיס, ניתן להגדיל משמעותית את רווח הזרם המשותף של הפולט. לעומת זאת, לטרנזיסטורים דו-קוטביים הומו-ג'ונשן אין הפרש רוחב פס-פס כזה, ולכן יש להגדיל באופן משמעותי את יחס ריכוז הסימום בין אזורי הפולט והבסיס. הבדל מהותי זה מבדיל בין הומג'נקציה לבין טרנזיסטורים דו-קוטביים הטרוגניים.
HBTs מתקדמים: בשנים האחרונות, חומרים מסדרת InP (כגון InP/InGaAs או AlInAs/InGaAs) נחקרו באופן שיטתי, והטרו-מבנים מבוססי InP מציעים יתרונות רבים. מבנה InP/InGaAs מפגין רקומבינציה משטח נמוכה במיוחד, וניידות האלקטרונים של InGaAs גבוהה בהרבה מזו של GaAs, וכתוצאה מכך ביצועים מצוינים בתדר גבוה.
הגרף שלהלן מתאר את העקומה האופיינית של HBT טיפוסי מבוסס אינדיום פוספיד, עם תדר חיתוך המגיע עד 254 GHz. בנוסף, InP מדגים מהירות סחיפה גבוהה יותר מ-GaAs תחת שדות חשמליים חזקים ויש לו גם מתח פירוק גבוה יותר.
סוג נוסף של הטרוג'נקציה היא מערכת החומרים Si/SiGe, המציעה מספר תכונות אטרקטיביות עבור יישומי HBT. בדומה ל-AlGaAs/GaAs HBT, גם ה-Si/SiGe HBT נהנה מהיכולת לעשות סמים כבדים בגלל ההבדל ברוחב הפס, וכתוצאה מכך לביצועים במהירות גבוהה.
הצפיפות הנמוכה של מלכודות ממשק הסיליקון עוזרת להפחית את זרם ריקומבינציה פני השטח, ומבטיחה רווח זרם גבוה אפילו בזרמי אספן נמוכים. בנוסף, תאימות עם טכנולוגיית עיבוד סיליקון סטנדרטית היא תכונה אטרקטיבית נוספת.
הדיאגרמה ב-(א) ממחישה מבנה Si/SiGe HBT טיפוסי, בעוד ש-(ב) משווה את זרם הקולטור של ה-Si/SiGe HBT לזה של טרנזיסטור דו-קוטבי הומג'נקי סיליקון, ומראה שה-Si/SiGe HBT מציג רווח זרם גבוה יותר. בהשוואה ל-HBTs מבוססי גליום ארסניד ואינדיום פוספיד, ה-Si/SiGe
ל-HBT תדירות חיתוך נמוכה יותר בשל ניידות הנשא הנמוכה יותר של סיליקון.
סעיף VI: התקני תיריסטור והתקני כוח קשורים
התקני תיריסטור הם רכיבי כוח מכריעים המסוגלים לשלוט במתח גבוה ובזרם גבוה, המאפשרים למכשיר לעבור ממצב סגור או חסום למצב פתוח או מוליך, ולהיפך. פעולתם קשורה קשר הדוק לטרנזיסטורים דו-קוטביים, הכוללים הולכה של אלקטרונים וחורים כאחד.
עם זאת, מנגנון המיתוג והמבנה שלהם שונים מטרנזיסטורים דו-קוטביים, ומציעים מגוון רחב של יכולות בקרת זרם ומתח. הזרם הנקוב יכול לנוע בין כמה מיליאמפר למעל 5000A, עם מתח נקוב העולה על 10,000V.
עם זאת, מנגנון המיתוג והמבנה שלהם שונים מטרנזיסטורים דו-קוטביים, ומציעים מגוון רחב של יכולות בקרת זרם ומתח. הזרם הנקוב יכול לנוע בין כמה מיליאמפר למעל 5000A, עם מתח נקוב העולה על 10,000V.
מאפיינים בסיסיים: התרשים שלהלן ממחיש את חתך הרוחב של התקן תיריסטור, המורכב ממבנה pnpn בן ארבע שכבות שנוצר על ידי שלושה צמתים pn המחוברים בטור, דהיינו J1, J2 ו-J3. שכבת ה-p החיצונית ביותר המחוברת לאלקטרודת המגע נקראת אנודה, בעוד ששכבת ה-n בצד השני מכונה קתודה. מבנה זה, ללא אלקטרודות נוספות, מייצג התקן בעל שני הדקים ומוכר כדיודת pnpn.
אם אלקטרודה נוספת, המכונה שער, מחוברת לשכבת p2 הפנימית, התקן שלושת הדקים שנוצר נקרא מיישר מבוקר מוליכים למחצה (SCR) או תיריסטור.
התרשים ב(ב) מציג פרופיל סימום טיפוסי של מכשיר תיריסטור. זה מתחיל עם פרוסת סיליקון בעלת התנגדות גבוהה כחומר המוצא (שכבת n), ואחריה שלב דיפוזיה כדי ליצור בו זמנית את שכבות p1 ו-p2. לבסוף, סגסוגת או דיפוזיה משמשת ליצירת שכבת n2 בצד אחד של פרוסת הסיליקון.
תרשים (ג) ממחיש את דיאגרמת פס האנרגיה של מכשיר התיריסטור בשיווי משקל תרמי. לכל צומת יש שכבת דלדול, והפוטנציאל המובנה נקבע לפי ריכוז הסימום.
התרשים ממחיש יישום פשוט של התקן תיריסטור, שיכול להתאים את הכוח הנמסר מקו החשמל לעומס. העומס, RL, יכול להיות נורה או תנור חימום, למשל. ההספק המועבר לעומס בכל מחזור נשלט על ידי דופק זרם השער של מכשיר התיריסטור.
אם דופק זרם השער מופעל קרוב לתחילת כל מחזור, יותר כוח יועבר לעומס. לעומת זאת, עיכוב דופק זרם השער תגרום להפחתה משמעותית של הספק לעומס כאשר התקן התיריסטור מוליך לקראת סוף המחזור.
זה כל המידע לגבי טרנזיסטורים דו-קוטביים.
המלצות קשורות
粤公网安备44030002007346号