hotline
columnist
columnist
Alles over bipolaire junctie-transistors (BJT's)
2024-03-21
2597
De oorsprong van bipolaire junctietransistoren
In moderne bipolaire junctie-transistoren heeft silicium germanium als substraat vervangen, en is puntcontact vervangen door twee aangrenzende gekoppelde pn-overgangen. De structuur kan de vorm aannemen van pnp of npn.
Een transistor, een afkorting van 'overdrachtsweerstand', is een halfgeleiderapparaat met meerdere juncties. Meestal geïntegreerd met andere circuitcomponenten, worden transistors gebruikt om spannings-, stroom- of signaalversterking te bereiken.
Bipolaire transistors, ook bekend als bipolaire junctie-transistors (BJT's), behoren tot de belangrijkste halfgeleiderapparaten en vinden brede toepassingen in hogesnelheidscircuits, analoge circuits, vermogensversterking en meer.
Een p-type halfgeleider is bijvoorbeeld als een vierkant stuk klei gevuld met veel gaten (ook wel elektronengaten genoemd), vergelijkbaar met de holen die je bij kreeften ziet. Een n-type halfgeleider is ook een vierkant stuk klei, maar deze is gevuld met veel kreeften (vrije elektronen). Als we deze twee stukken klei aan elkaar plakken, kruipen de kreeften richting de holen.
Omdat de holen in de eerste rijen al bijna leeg zijn, noemt de halfgeleiderindustrie dit gebied het uitputtingsgebied.
Het is als een deur: het is gemakkelijk voor iemand om de deur in de ene richting open te duwen, maar het is moeilijk als je hem in de tegenovergestelde richting probeert te duwen. Natuurlijk kun je een grote kracht gebruiken om de deur met geweld te duwen totdat deze breekt, een proces dat we het defect raken van de verbinding noemen.
Als we naar de stroom-spanningskarakteristieken van een PN-overgang kijken, ziet de curve eruit zoals weergegeven in het onderstaande diagram.
Wanneer een tegengestelde bias wordt toegepast op een PN-overgang, is het alsof je de kreeften telescopen in de modder geeft. De kreeften kunnen verder kijken en opgewondener kruipen, waardoor meer kreeften holen vinden. Als gevolg hiervan neemt de algehele beweging van de kreeften toe en wordt de breedte van het uitputtingsgebied van de halfgeleider groter.
Het onderstaande diagram toont een perspectiefaanzicht van een bipolaire pnp-transistor. Het fabricageproces omvat het gebruik van een p-type halfgeleider als substraat, waarbij gebruik wordt gemaakt van het principe van thermische diffusie om een n-type gebied op het p-type substraat te creëren. Vervolgens wordt op dit n-type gebied door thermische diffusie een gebied van het p+-type met hoge concentratie gevormd. Ten slotte wordt metaal gebruikt om de p+, n en onderliggende p-type gebieden te bedekken om ohmse contacten te vormen.
Het tussenliggende smalle n-type gebied, met een gematigde onzuiverheidsconcentratie, wordt de basis genoemd (aangeduid met B), en de breedte van het basisgebied moet veel kleiner zijn dan de diffusielengte van minderheidsdragers;
Het gebied met de laagste concentratie p-type wordt de collector genoemd (aangegeven met C). Uitgaande van een uniforme verdeling van de concentraties binnen elk gebied, kan het concept van de pn-overgang rechtstreeks worden toegepast op de knooppunten in de transistor.
Het vervangen van de p-type gebieden door n-type gebieden en het n-type gebied door een p-type gebied in de structuur van een pnp bipolaire transistor levert de structuur op van een npn bipolaire transistor. Daarom zijn de stroomrichting en de spanningspolariteit ook omgekeerd.
Het diagram (a) toont de ideale bipolaire pnp-transistor in thermisch evenwicht, waarbij de drie aansluitingen met elkaar zijn verbonden of allemaal met aarde zijn verbonden, waarbij gearceerde gebieden de uitputtingsgebieden van de twee pn-overgangen voorstellen.
Diagram (b) illustreert de onzuiverheidsconcentraties in de drie gedoteerde gebieden, waarbij het emittergebied een veel hogere doteringsconcentratie heeft dan het collectorgebied, en het basisgebied een concentratie heeft die lager is dan de emitter maar hoger dan de collector.
Diagram (c) toont de verdeling van het elektrische veld in het uitputtingsgebied.
Diagram (d) toont het energiebanddiagram van de transistor, waarbij de thermische evenwichtstoestand van de pn-overgangen wordt uitgebreid en toegepast op de twee aangrenzende gekoppelde p+ - n-overgangen en n - p-overgangen.
Diagram (a) toont de transistor aangesloten als een gemeenschappelijke basisconfiguratieversterker, waarbij de basis wordt gedeeld tussen de ingangs- en uitgangscircuits.
Diagrammen (b) en (c) illustreren de ladingsdichtheid en elektrische veldverdeling onder voorspanningsomstandigheden, vergeleken met de thermische evenwichtstoestand weergegeven in het vorige diagram. De breedte van het uitputtingsgebied bij de emitter-basisovergang wordt smaller, terwijl het uitputtingsgebied bij de collector-basisovergang breder wordt.
Diagram (d) toont het energiebanddiagram van de transistor die in de versterkingsmodus werkt. De emitter-basisovergang is voorwaarts voorgespannen, waardoor gaten worden geïnjecteerd vanuit het p+ emittergebied in het basisgebied, en elektronen worden geïnjecteerd vanuit het basisgebied in het emittergebied.
Aan de andere kant is de collector-basisovergang in omgekeerde richting voorgespannen, waardoor een omgekeerde verzadigingsstroom kan stromen. Als het basisgebied smal genoeg is, kunnen de gaten die vanuit het emittergebied in het basisgebied worden geïnjecteerd, door het basisgebied diffunderen en de rand van het uitputtingsgebied van de collectorbasis bereiken, en uiteindelijk door het collectorgebied stromen onder voorspanning van de collector. basisverbinding.
Dit transportmechanisme geeft aanleiding tot de namen "emitter" voor het injecteren van ladingsdragers en "collector" voor het verzamelen van ladingsdragers die zijn geïnjecteerd vanuit de aangrenzende kruising.
Als de meeste geïnjecteerde gaten niet recombineren met elektronen in het basisgebied maar de collector bereiken, zal de collectorstroom als gevolg van gaten nauw aansluiten bij de emittergatstroom.
Het is duidelijk dat de gaten die worden geïnjecteerd vanuit de aangrenzende emitter-basisovergang een aanzienlijke stroom kunnen genereren in de tegengesteld voorgespannen collector-basisovergang, wat leidt tot het versterkingseffect van de transistor, dat alleen optreedt wanneer deze twee kruispunten voldoende dicht bij elkaar zijn. daarom aangeduid als op elkaar inwerkende pn-overgangen.
Omgekeerd, als deze twee pn-overgangen te ver uit elkaar liggen, zullen alle binnenkomende gaten recombineren met elektronen in het basisgebied en het collectorgebied niet bereiken, wat resulteert in geen versterkend effect van de transistor. In dit geval gedraagt de pnp-structuur zich simpelweg als twee rug aan rug verbonden pn-diodes.
Stroomversterking: Het onderstaande diagram illustreert de verschillende stroomcomponenten in een ideale pnp-transistor die in de versterkingsmodus werkt. Ervan uitgaande dat er geen generatie-recombinatiestroom in het uitputtingsgebied aanwezig is, vormen de gaten die vanuit het emittergebied worden geïnjecteerd de overheersende stroomcomponent IEp.
Er zijn drie stromen aan de basis: IBB, IEn en ICn.
IBB vertegenwoordigt de stroom van elektronen geleverd door de basis die recombineren met de invallende gaten (dwz IBB = IEp - ICp); IEn vertegenwoordigt de stroom van elektronen die vanuit het basisgebied in het emittergebied worden geïnjecteerd, wat een ongewenste stroomcomponent is die kan worden verminderd door zware dotering van de emitter of door heterojuncties te gebruiken; ICn vertegenwoordigt de elektronenstroom die wordt gegenereerd nabij de collectorovergang als gevolg van thermische effecten en die van het collectorgebied naar het basisgebied vloeit.
Bedrijfsmodi: Afhankelijk van de voorspanningen op de emitter-basisovergang en de collector-basisovergang hebben bipolaire transistoren vier bedrijfsmodi.
Het onderstaande diagram illustreert de vier bedrijfsmodi van een pnp-transistor en hun relaties met VEB en VCB. De verdeling van minderheidsvervoerders in elke bedrijfsmodus wordt ook weergegeven in het diagram.
In de versterkingsmodus is de emitter-basisovergang bijvoorbeeld voorwaarts voorgespannen, en de collector-basisovergang is tegengesteld voorgespannen.
In de verzadigingsmodus zijn beide juncties van de transistor voorwaarts voorgespannen, wat leidt tot de aanwezigheid van minderheidsdragers in de uitputtingsgebieden van beide juncties.
In de verzadigingsmodus kan een kleine spanning resulteren in een grote uitgangsstroom, waardoor de transistor in een geleidende toestand komt die lijkt op een kortsluiting.
In de afsnijmodus zijn beide juncties van de transistor in tegengestelde richting ingesteld, wat leidt tot randvoorwaarden van pn(0) = pn(W) = 0. De transistor in afsnijmodus kan worden gezien als een schakelaar in de open (of uit) positie .
In de omgekeerde modus is de emitter-basisovergang in sperrichting voorgespannen, en is de collector-basisovergang in voorwaartse richting voorgespannen. In deze modus fungeert de collectorelektrode als emitter en omgekeerd. De stroomversterking in de omgekeerde modus is echter doorgaans kleiner dan in de versterkingsmodus vanwege de lagere doteringsconcentratie in het collectorgebied vergeleken met het basisgebied, wat resulteert in een lagere "emissie-efficiëntie".
Schakeltransiëntproces: In digitale circuits fungeren transistors voornamelijk als schakelaars. Door gebruik te maken van een kleine basisstroom kan de collectorstroom in zeer korte tijd snel worden omgeschakeld van uit naar aan (en omgekeerd). In de uit-stand is er sprake van hoge spanning en lage stroom, terwijl er in de aan-stand sprake is van lage spanning en hoge stroom.
Heterojunctie bipolaire transistoren (HBT's)
Heterojunction bipolar transistors (HBT's) zijn transistors waarbij één of beide overgangen zijn gemaakt van verschillende halfgeleidermaterialen.
Het belangrijkste voordeel van HBT's is hun hoge emissie-efficiëntie, en ze worden op dezelfde manier gebruikt als bipolaire transistors. HBT's hebben echter een hogere snelheid en kunnen op hogere frequenties werken. Vanwege deze kenmerken worden HBT's veel gebruikt in opto-elektronica, magnetron- en digitale toepassingen. In microgolftoepassingen worden HBT's vaak gebruikt voor de vervaardiging van halfgeleidermicrogolf- en millimetergolfvermogensversterkers, oscillatoren en mixers.
Basis-HBT-structuur: De meeste HBT-technologieën zijn ontwikkeld in het AlxGa1-xAs/GaAs-materiaalsysteem. De basis npn HBT-structuur bestaat uit een AlxGa1-xAs-laag met grote bandafstand in het n-type emittergebied, een GaAs-laag met smallere bandafstand in het p-type basisgebied, en n-type collector- en subcollectorgebieden gemaakt van licht gedoteerde en zwaar gedoteerde GaAs, respectievelijk.
Geavanceerde HBT's: De afgelopen jaren zijn materialen uit de InP-serie (zoals InP/InGaAs of AlInAs/InGaAs) systematisch onderzocht, en op InP gebaseerde heterostructuren bieden tal van voordelen. De InP/InGaAs-structuur vertoont een extreem lage oppervlakterecombinatie en de elektronenmobiliteit van InGaAs is veel hoger dan die van GaAs, wat resulteert in uitstekende hoogfrequente prestaties.
De onderstaande grafiek toont de karakteristieke curve van een typische op indiumfosfide gebaseerde HBT, met een grensfrequentie die reikt tot 254 GHz. Bovendien vertoont InP een hogere driftsnelheid dan GaAs onder sterke elektrische velden en heeft het ook een hogere doorslagspanning.
De lage dichtheid van de siliciuminterface-traps helpt de recombinatiestroom aan het oppervlak te verminderen, waardoor een hoge stroomversterking wordt gegarandeerd, zelfs bij lage collectorstromen. Bovendien is compatibiliteit met standaard siliciumverwerkingstechnologie een ander zeer aantrekkelijk kenmerk.
Het diagram in (a) illustreert een typische Si/SiGe HBT-structuur, terwijl (b) de collectorstroom van de Si/SiGe HBT vergelijkt met die van een bipolaire silicium-homojunctietransistor, wat aantoont dat de Si/SiGe HBT een hogere stroomversterking vertoont. Vergeleken met op galliumarsenide en indiumfosfide gebaseerde HBT's is de Si/SiGe
HBT heeft een lagere afsnijfrequentie vanwege de lagere dragermobiliteit van silicium.
Basiskenmerken: Het onderstaande diagram illustreert de dwarsdoorsnede van een thyristor, die bestaat uit een vierlaagse pnpn-structuur gevormd door drie in serie geschakelde pn-overgangen, namelijk J1, J2 en J3. De buitenste p-laag, verbonden met de contactelektrode, wordt de anode genoemd, terwijl de n-laag aan de andere kant de kathode wordt genoemd. Deze structuur, zonder extra elektroden, vertegenwoordigt een tweepolige component en staat bekend als een pnpn-diode.
Diagram (c) illustreert het energiebanddiagram van het thyristorapparaat in thermisch evenwicht. Elke junctie heeft een uitputtingslaag en het ingebouwde potentieel wordt bepaald door de dopingconcentratie.
Als de poortstroompuls dicht bij het begin van elke cyclus wordt toegepast, wordt er meer vermogen naar de belasting overgedragen. Omgekeerd zal het vertragen van de poortstroompuls resulteren in een aanzienlijk verminderd vermogen dat aan de belasting wordt geleverd terwijl het thyristorapparaat tegen het einde van de cyclus geleidt.
De bipolaire junctie-transistor werd in 1947 uitgevonden door een onderzoeksteam van Bell Laboratories. De eerste transistor bestond uit twee metalen draden met scherpe eindpunten die puntcontact maakten met een germaniumsubstraat. Hoewel primitief naar huidige maatstaven, heeft deze eerste transistor de hele elektronica-industrie en de manier van leven van de mensheid aanzienlijk getransformeerd.
In moderne bipolaire junctie-transistoren heeft silicium germanium als substraat vervangen, en is puntcontact vervangen door twee aangrenzende gekoppelde pn-overgangen. De structuur kan de vorm aannemen van pnp of npn.
Een transistor, een afkorting van 'overdrachtsweerstand', is een halfgeleiderapparaat met meerdere juncties. Meestal geïntegreerd met andere circuitcomponenten, worden transistors gebruikt om spannings-, stroom- of signaalversterking te bereiken.
Bipolaire transistors, ook bekend als bipolaire junctie-transistors (BJT's), behoren tot de belangrijkste halfgeleiderapparaten en vinden brede toepassingen in hogesnelheidscircuits, analoge circuits, vermogensversterking en meer.
Wat is een PN-knooppunt?
Het is een verbindingspunt gevormd door het contact tussen een p-type halfgeleider en een n-type halfgeleider.
Een p-type halfgeleider is bijvoorbeeld als een vierkant stuk klei gevuld met veel gaten (ook wel elektronengaten genoemd), vergelijkbaar met de holen die je bij kreeften ziet. Een n-type halfgeleider is ook een vierkant stuk klei, maar deze is gevuld met veel kreeften (vrije elektronen). Als we deze twee stukken klei aan elkaar plakken, kruipen de kreeften richting de holen.
De voorste kreeften zijn de eersten die de holen op de eerste rij vinden. Zodra de kreeften op de eerste rij in de holen zijn gekropen, moeten de kreeften achter hen verder klimmen en hebben ze meer moeite om holen te vinden.
Omdat de holen in de eerste rijen al bijna leeg zijn, noemt de halfgeleiderindustrie dit gebied het uitputtingsgebied.
De PN-overgang heeft een kenmerk dat gelijkrichting wordt genoemd en waardoor de stroom slechts in één richting kan stromen.
Het is als een deur: het is gemakkelijk voor iemand om de deur in de ene richting open te duwen, maar het is moeilijk als je hem in de tegenovergestelde richting probeert te duwen. Natuurlijk kun je een grote kracht gebruiken om de deur met geweld te duwen totdat deze breekt, een proces dat we het defect raken van de verbinding noemen.
Als we naar de stroom-spanningskarakteristieken van een PN-overgang kijken, ziet de curve eruit zoals weergegeven in het onderstaande diagram.
Wanneer een voorwaartse bias wordt toegepast op een PN-overgang, is het alsof je de kreeften in de modder blinddoekt. De kreeften worden bijziend en kunnen alleen de holen op de eerste rij zien. Als gevolg hiervan neemt de algehele beweging van de kreeften af en neemt ook het aantal kreeften dat naar de holen kruipt af, waardoor de breedte van het uitputtingsgebied kleiner wordt.
Wanneer een tegengestelde bias wordt toegepast op een PN-overgang, is het alsof je de kreeften telescopen in de modder geeft. De kreeften kunnen verder kijken en opgewondener kruipen, waardoor meer kreeften holen vinden. Als gevolg hiervan neemt de algehele beweging van de kreeften toe en wordt de breedte van het uitputtingsgebied van de halfgeleider groter.
In de onderstaande afbeelding vertegenwoordigt (a) de normale breedte van het uitputtingsgebied in een PN-overgang, (b) toont de breedte na toepassing van een voorwaartse bias, en (c) toont de breedte na toepassing van een tegengestelde bias.
De structuur van een bipolaire transistor:
Het onderstaande diagram toont een perspectiefaanzicht van een bipolaire pnp-transistor. Het fabricageproces omvat het gebruik van een p-type halfgeleider als substraat, waarbij gebruik wordt gemaakt van het principe van thermische diffusie om een n-type gebied op het p-type substraat te creëren. Vervolgens wordt op dit n-type gebied door thermische diffusie een gebied van het p+-type met hoge concentratie gevormd. Ten slotte wordt metaal gebruikt om de p+, n en onderliggende p-type gebieden te bedekken om ohmse contacten te vormen.
De bipolaire pnp-transistor bestaat uit drie gebieden met verschillende doteringsconcentraties, die twee pn-overgangen vormen. Het p+-gebied met de hoogste concentratie wordt de emitter genoemd (aangeduid met E);
Het tussenliggende smalle n-type gebied, met een gematigde onzuiverheidsconcentratie, wordt de basis genoemd (aangeduid met B), en de breedte van het basisgebied moet veel kleiner zijn dan de diffusielengte van minderheidsdragers;
Het gebied met de laagste concentratie p-type wordt de collector genoemd (aangegeven met C). Uitgaande van een uniforme verdeling van de concentraties binnen elk gebied, kan het concept van de pn-overgang rechtstreeks worden toegepast op de knooppunten in de transistor.
Het onderstaande diagram toont het circuitsymbool van een bipolaire pnp-transistor, met vermelding van de verschillende stroomcomponenten en spanningspolariteiten. De pijlen en de symbolen "+" en "–" vertegenwoordigen de richtingen van de stromen en de polariteiten van de spanningen in de algemene werkmodus (dwz versterkingsmodus, actieve modus) van de transistor. In deze modus is de emitter-basisovergang voorwaarts voorgespannen (VEB > 0), terwijl de collector-basisovergang tegengesteld voorgespannen is (VCB <0). Volgens
Volgens de circuitwet van Kirchhoff zijn er voor dit apparaat met drie aansluitingen slechts twee onafhankelijke stromen; als er twee stromen bekend zijn, kan de derde klemstroom worden bepaald.
Volgens de circuitwet van Kirchhoff zijn er voor dit apparaat met drie aansluitingen slechts twee onafhankelijke stromen; als er twee stromen bekend zijn, kan de derde klemstroom worden bepaald.
De structuur en het circuitsymbool van een npn bipolaire transistor zijn complementair aan die van een pnp bipolaire transistor. Het onderstaande diagram toont de ideale structuur en het circuitsymbool van een pnp-transistor.
Het vervangen van de p-type gebieden door n-type gebieden en het n-type gebied door een p-type gebied in de structuur van een pnp bipolaire transistor levert de structuur op van een npn bipolaire transistor. Daarom zijn de stroomrichting en de spanningspolariteit ook omgekeerd.
Als u de pnp-transistor begrijpt, kunt u de npn-transistor beschrijven door eenvoudigweg de polariteit en het doteringstype om te wisselen.
IV. Bipolaire transistorversterkingsmodus
Het diagram (a) toont de ideale bipolaire pnp-transistor in thermisch evenwicht, waarbij de drie aansluitingen met elkaar zijn verbonden of allemaal met aarde zijn verbonden, waarbij gearceerde gebieden de uitputtingsgebieden van de twee pn-overgangen voorstellen.
Diagram (b) illustreert de onzuiverheidsconcentraties in de drie gedoteerde gebieden, waarbij het emittergebied een veel hogere doteringsconcentratie heeft dan het collectorgebied, en het basisgebied een concentratie heeft die lager is dan de emitter maar hoger dan de collector.
Diagram (c) toont de verdeling van het elektrische veld in het uitputtingsgebied.
Diagram (d) toont het energiebanddiagram van de transistor, waarbij de thermische evenwichtstoestand van de pn-overgangen wordt uitgebreid en toegepast op de twee aangrenzende gekoppelde p+ - n-overgangen en n - p-overgangen.
Het volgende diagram komt overeen met de transistor die in de versterkingsmodus werkt, zoals weergegeven in de vorige afbeelding.
Diagram (a) toont de transistor aangesloten als een gemeenschappelijke basisconfiguratieversterker, waarbij de basis wordt gedeeld tussen de ingangs- en uitgangscircuits.
Diagrammen (b) en (c) illustreren de ladingsdichtheid en elektrische veldverdeling onder voorspanningsomstandigheden, vergeleken met de thermische evenwichtstoestand weergegeven in het vorige diagram. De breedte van het uitputtingsgebied bij de emitter-basisovergang wordt smaller, terwijl het uitputtingsgebied bij de collector-basisovergang breder wordt.
Diagram (d) toont het energiebanddiagram van de transistor die in de versterkingsmodus werkt. De emitter-basisovergang is voorwaarts voorgespannen, waardoor gaten worden geïnjecteerd vanuit het p+ emittergebied in het basisgebied, en elektronen worden geïnjecteerd vanuit het basisgebied in het emittergebied.
In een ideale diode is er geen generatie-recombinatiestroom in het verarmingsgebied, dus de gaten die vanuit het emittergebied naar het basisgebied worden geïnjecteerd en de elektronen die vanuit het basisgebied naar het emittergebied worden geïnjecteerd, vormen de emitterstroom.
Aan de andere kant is de collector-basisovergang in omgekeerde richting voorgespannen, waardoor een omgekeerde verzadigingsstroom kan stromen. Als het basisgebied smal genoeg is, kunnen de gaten die vanuit het emittergebied in het basisgebied worden geïnjecteerd, door het basisgebied diffunderen en de rand van het uitputtingsgebied van de collectorbasis bereiken, en uiteindelijk door het collectorgebied stromen onder voorspanning van de collector. basisverbinding.
Dit transportmechanisme geeft aanleiding tot de namen "emitter" voor het injecteren van ladingsdragers en "collector" voor het verzamelen van ladingsdragers die zijn geïnjecteerd vanuit de aangrenzende kruising.
Als de meeste geïnjecteerde gaten niet recombineren met elektronen in het basisgebied maar de collector bereiken, zal de collectorstroom als gevolg van gaten nauw aansluiten bij de emittergatstroom.
Het is duidelijk dat de gaten die worden geïnjecteerd vanuit de aangrenzende emitter-basisovergang een aanzienlijke stroom kunnen genereren in de tegengesteld voorgespannen collector-basisovergang, wat leidt tot het versterkingseffect van de transistor, dat alleen optreedt wanneer deze twee kruispunten voldoende dicht bij elkaar zijn. daarom aangeduid als op elkaar inwerkende pn-overgangen.
Omgekeerd, als deze twee pn-overgangen te ver uit elkaar liggen, zullen alle binnenkomende gaten recombineren met elektronen in het basisgebied en het collectorgebied niet bereiken, wat resulteert in geen versterkend effect van de transistor. In dit geval gedraagt de pnp-structuur zich simpelweg als twee rug aan rug verbonden pn-diodes.
Stroomversterking: Het onderstaande diagram illustreert de verschillende stroomcomponenten in een ideale pnp-transistor die in de versterkingsmodus werkt. Ervan uitgaande dat er geen generatie-recombinatiestroom in het uitputtingsgebied aanwezig is, vormen de gaten die vanuit het emittergebied worden geïnjecteerd de overheersende stroomcomponent IEp.
De meeste invallende gaten zullen de collectorelektrode bereiken en ICp vormen.
Er zijn drie stromen aan de basis: IBB, IEn en ICn.
IBB vertegenwoordigt de stroom van elektronen geleverd door de basis die recombineren met de invallende gaten (dwz IBB = IEp - ICp); IEn vertegenwoordigt de stroom van elektronen die vanuit het basisgebied in het emittergebied worden geïnjecteerd, wat een ongewenste stroomcomponent is die kan worden verminderd door zware dotering van de emitter of door heterojuncties te gebruiken; ICn vertegenwoordigt de elektronenstroom die wordt gegenereerd nabij de collectorovergang als gevolg van thermische effecten en die van het collectorgebied naar het basisgebied vloeit.
Bedrijfsmodi: Afhankelijk van de voorspanningen op de emitter-basisovergang en de collector-basisovergang hebben bipolaire transistoren vier bedrijfsmodi.
Het onderstaande diagram illustreert de vier bedrijfsmodi van een pnp-transistor en hun relaties met VEB en VCB. De verdeling van minderheidsvervoerders in elke bedrijfsmodus wordt ook weergegeven in het diagram.
In de versterkingsmodus is de emitter-basisovergang bijvoorbeeld voorwaarts voorgespannen, en de collector-basisovergang is tegengesteld voorgespannen.
In de verzadigingsmodus zijn beide juncties van de transistor voorwaarts voorgespannen, wat leidt tot de aanwezigheid van minderheidsdragers in de uitputtingsgebieden van beide juncties.
In de verzadigingsmodus kan een kleine spanning resulteren in een grote uitgangsstroom, waardoor de transistor in een geleidende toestand komt die lijkt op een kortsluiting.
In de afsnijmodus zijn beide juncties van de transistor in tegengestelde richting ingesteld, wat leidt tot randvoorwaarden van pn(0) = pn(W) = 0. De transistor in afsnijmodus kan worden gezien als een schakelaar in de open (of uit) positie .
In de omgekeerde modus is de emitter-basisovergang in sperrichting voorgespannen, en is de collector-basisovergang in voorwaartse richting voorgespannen. In deze modus fungeert de collectorelektrode als emitter en omgekeerd. De stroomversterking in de omgekeerde modus is echter doorgaans kleiner dan in de versterkingsmodus vanwege de lagere doteringsconcentratie in het collectorgebied vergeleken met het basisgebied, wat resulteert in een lagere "emissie-efficiëntie".
Schakeltransiëntproces: In digitale circuits fungeren transistors voornamelijk als schakelaars. Door gebruik te maken van een kleine basisstroom kan de collectorstroom in zeer korte tijd snel worden omgeschakeld van uit naar aan (en omgekeerd). In de uit-stand is er sprake van hoge spanning en lage stroom, terwijl er in de aan-stand sprake is van lage spanning en hoge stroom.
Heterojunctie bipolaire transistoren (HBT's)
Heterojunction bipolar transistors (HBT's) zijn transistors waarbij één of beide overgangen zijn gemaakt van verschillende halfgeleidermaterialen.
Het belangrijkste voordeel van HBT's is hun hoge emissie-efficiëntie, en ze worden op dezelfde manier gebruikt als bipolaire transistors. HBT's hebben echter een hogere snelheid en kunnen op hogere frequenties werken. Vanwege deze kenmerken worden HBT's veel gebruikt in opto-elektronica, magnetron- en digitale toepassingen. In microgolftoepassingen worden HBT's vaak gebruikt voor de vervaardiging van halfgeleidermicrogolf- en millimetergolfvermogensversterkers, oscillatoren en mixers.
Basis-HBT-structuur: De meeste HBT-technologieën zijn ontwikkeld in het AlxGa1-xAs/GaAs-materiaalsysteem. De basis npn HBT-structuur bestaat uit een AlxGa1-xAs-laag met grote bandafstand in het n-type emittergebied, een GaAs-laag met smallere bandafstand in het p-type basisgebied, en n-type collector- en subcollectorgebieden gemaakt van licht gedoteerde en zwaar gedoteerde GaAs, respectievelijk.
Om een ohms contact te vormen, wordt een hooggedoteerde n-type galliumarsenidelaag toegevoegd tussen het emittercontact en de aluminium galliumarsenidelaag. Als gevolg van het significante verschil in bandbreedte tussen de emitter- en basisgebieden kan de stroomversterking van de gemeenschappelijke emitter aanzienlijk worden vergroot. Daarentegen hebben bipolaire transistors met homojunctie niet zo'n bandbreedteverschil, en dus moet de doteringsconcentratieverhouding tussen de emitter- en basisgebieden aanzienlijk worden vergroot. Dit fundamentele verschil onderscheidt homojunctie van bipolaire transistors met heterojunctie.
Geavanceerde HBT's: De afgelopen jaren zijn materialen uit de InP-serie (zoals InP/InGaAs of AlInAs/InGaAs) systematisch onderzocht, en op InP gebaseerde heterostructuren bieden tal van voordelen. De InP/InGaAs-structuur vertoont een extreem lage oppervlakterecombinatie en de elektronenmobiliteit van InGaAs is veel hoger dan die van GaAs, wat resulteert in uitstekende hoogfrequente prestaties.
De onderstaande grafiek toont de karakteristieke curve van een typische op indiumfosfide gebaseerde HBT, met een grensfrequentie die reikt tot 254 GHz. Bovendien vertoont InP een hogere driftsnelheid dan GaAs onder sterke elektrische velden en heeft het ook een hogere doorslagspanning.
Een ander type heterojunctie is het Si/SiGe-materiaalsysteem, dat verschillende aantrekkelijke kenmerken biedt voor HBT-toepassingen. Net als de AlGaAs/GaAs HBT profiteert de Si/SiGe HBT ook van het vermogen om zwaar te doteren vanwege het verschil in bandbreedtebreedte, wat resulteert in hoge snelheidsprestaties.
De lage dichtheid van de siliciuminterface-traps helpt de recombinatiestroom aan het oppervlak te verminderen, waardoor een hoge stroomversterking wordt gegarandeerd, zelfs bij lage collectorstromen. Bovendien is compatibiliteit met standaard siliciumverwerkingstechnologie een ander zeer aantrekkelijk kenmerk.
Het diagram in (a) illustreert een typische Si/SiGe HBT-structuur, terwijl (b) de collectorstroom van de Si/SiGe HBT vergelijkt met die van een bipolaire silicium-homojunctietransistor, wat aantoont dat de Si/SiGe HBT een hogere stroomversterking vertoont. Vergeleken met op galliumarsenide en indiumfosfide gebaseerde HBT's is de Si/SiGe
HBT heeft een lagere afsnijfrequentie vanwege de lagere dragermobiliteit van silicium.
Sectie VI: Thyristorapparaten en gerelateerde voedingsapparaten
Thyristorapparaten zijn cruciale voedingscomponenten die hoge spanning en hoge stroom kunnen regelen, waardoor het apparaat kan overgaan van een gesloten of geblokkeerde toestand naar een open of geleidende toestand, en omgekeerd. Hun werking is nauw verwant aan bipolaire transistors, waarbij zowel elektronen als gaten worden geleid.
Hun schakelmechanisme en structuur verschillen echter van bipolaire transistors en bieden een breed scala aan stroom- en spanningsregelingsmogelijkheden. De nominale stroom kan variëren van enkele milliampère tot meer dan 5000 A, met een nominale spanning van meer dan 10,000 V.
Hun schakelmechanisme en structuur verschillen echter van bipolaire transistors en bieden een breed scala aan stroom- en spanningsregelingsmogelijkheden. De nominale stroom kan variëren van enkele milliampère tot meer dan 5000 A, met een nominale spanning van meer dan 10,000 V.
Basiskenmerken: Het onderstaande diagram illustreert de dwarsdoorsnede van een thyristor, die bestaat uit een vierlaagse pnpn-structuur gevormd door drie in serie geschakelde pn-overgangen, namelijk J1, J2 en J3. De buitenste p-laag, verbonden met de contactelektrode, wordt de anode genoemd, terwijl de n-laag aan de andere kant de kathode wordt genoemd. Deze structuur, zonder extra elektroden, vertegenwoordigt een tweepolige component en staat bekend als een pnpn-diode.
Als een andere elektrode, de zogenaamde gate, wordt aangesloten op de binnenste p2-laag, wordt het resulterende apparaat met drie aansluitingen een halfgeleidergestuurde gelijkrichter (SCR) of thyristor genoemd.
Het diagram in (b) toont een typisch doteringsprofiel van een thyristorapparaat. Het begint met een n-type siliciumwafel met hoge weerstand als uitgangsmateriaal (n-laag), gevolgd door een diffusiestap om gelijktijdig de p1- en p2-lagen te vormen. Ten slotte wordt er gebruik gemaakt van legering of diffusie om de n2-laag aan één zijde van de siliciumwafel te creëren.
Diagram (c) illustreert het energiebanddiagram van het thyristorapparaat in thermisch evenwicht. Elke junctie heeft een uitputtingslaag en het ingebouwde potentieel wordt bepaald door de dopingconcentratie.
Het diagram illustreert een eenvoudige toepassing van een thyristorapparaat, dat het vermogen dat door de voedingslijn aan de belasting wordt geleverd, kan aanpassen. De belasting, RL, kan bijvoorbeeld een gloeilamp of een verwarming zijn. Het vermogen dat in elke cyclus aan de belasting wordt geleverd, wordt geregeld door de poortstroompuls van het thyristorapparaat.
Als de poortstroompuls dicht bij het begin van elke cyclus wordt toegepast, wordt er meer vermogen naar de belasting overgedragen. Omgekeerd zal het vertragen van de poortstroompuls resulteren in een aanzienlijk verminderd vermogen dat aan de belasting wordt geleverd terwijl het thyristorapparaat tegen het einde van de cyclus geleidt.
Dit is alle informatie over bipolaire transistors.
Gerelateerde aanbevelingen
粤公网安备44030002007346号