Hotline usługi
Felietonista
Felietonista
Wszystko o bipolarnych tranzystorach złączowych (BJT)
2024-03-21
2597
Pochodzenie tranzystorów bipolarnych
W nowoczesnych tranzystorach bipolarnych krzem zastąpił german jako podłoże, a kontakt punktowy zastąpiono dwoma sąsiadującymi, sprzężonymi złączami pn. Struktura może mieć postać pnp lub npn.
Tranzystor, skrót od „rezystor transferowy”, to wielozłączowe urządzenie półprzewodnikowe. Tranzystory, zwykle zintegrowane z innymi elementami obwodu, służą do uzyskania wzmocnienia napięcia, prądu lub mocy sygnału.
Tranzystory bipolarne, znane również jako bipolarne tranzystory złączowe (BJT), należą do najważniejszych urządzeń półprzewodnikowych i znajdują szerokie zastosowanie w obwodach o dużej szybkości, obwodach analogowych, wzmacnianiu mocy i nie tylko.
Na przykład półprzewodnik typu p przypomina kwadratowy kawałek gliny wypełniony wieloma dziurami (zwanymi dziurami elektronowymi), podobnymi do nor spotykanych u homarów. Półprzewodnik typu n jest również kwadratowym kawałkiem gliny, ale jest wypełniony wieloma homarami (wolnymi elektronami). Kiedy skleimy te dwa kawałki gliny, homary będą pełzać w stronę nor.
Ponieważ nory w pierwszych rzędach są już prawie wyczerpane, przemysł półprzewodników określa ten obszar mianem obszaru wyczerpania.
To jest jak z drzwiami: łatwo jest pchnąć drzwi w jednym kierunku, ale jest to trudne, jeśli spróbujesz je popchnąć w przeciwnym kierunku. Oczywiście można użyć dużej siły, aby gwałtownie popchnąć drzwi, aż się rozbiją, co nazywamy awarią złącza.
Patrząc na charakterystykę prądowo-napięciową złącza PN, krzywa jest pokazana na poniższym schemacie.
Gdy na złączu PN zostanie zastosowane odwrotne napięcie, to tak jakby rzucić homarowi teleskop w błoto. Homary widzą dalej i pełzają z większą ekscytacją, co prowadzi do tego, że więcej homarów znajduje nory. W rezultacie zwiększa się ogólny ruch homarów i zwiększa się szerokość obszaru zubożenia półprzewodnika.
Poniższy schemat przedstawia widok perspektywiczny tranzystora bipolarnego pnp. Proces produkcyjny polega na zastosowaniu półprzewodnika typu p jako podłoża, wykorzystując zasadę dyfuzji cieplnej w celu utworzenia obszaru typu n na podłożu typu p. Następnie na tym obszarze typu n w wyniku dyfuzji termicznej tworzy się region typu p+ o wysokim stężeniu. Na koniec metal służy do pokrycia obszarów p+, n i leżących pod nimi obszarów typu p, tworząc styki omowe.
Pośredni wąski obszar typu n, z umiarkowanym stężeniem zanieczyszczeń, nazywany jest bazą (oznaczoną przez B), a szerokość obszaru bazowego musi być znacznie mniejsza niż długość dyfuzji nośników mniejszościowych;
Region o najniższym stężeniu typu p nazywany jest kolektorem (oznaczony jako C). Zakładając równomierny rozkład stężeń w każdym obszarze, koncepcję złącza pn można bezpośrednio zastosować do złączy w tranzystorze.
Zastąpienie regionów typu p obszarami typu n i regionu typu n obszarem typu p w strukturze tranzystora bipolarnego pnp daje strukturę tranzystora bipolarnego npn. Dlatego kierunek prądu i polaryzacja napięcia są również odwrócone.
Schemat (a) przedstawia idealny tranzystor bipolarny pnp w równowadze termicznej, gdzie jego trzy zaciski są połączone razem lub wszystkie połączone z masą, przy czym zacienione obszary reprezentują obszary zubożenia dwóch złączy pn.
Wykres (b) ilustruje stężenia zanieczyszczeń w trzech domieszkowanych obszarach, przy czym obszar emitera ma znacznie wyższe stężenie domieszkowania niż obszar kolektora, a obszar bazowy ma stężenie niższe niż emiter, ale wyższe niż kolektor.
Diagram (c) przedstawia rozkład pola elektrycznego w obszarze zubożenia.
Diagram (d) przedstawia wykres pasm energetycznych tranzystora, rozszerzający stan równowagi termicznej złączy pn i stosujący go do dwóch sąsiednich sprzężonych złączy p+ - n i złącza n - p.
Schemat (a) przedstawia tranzystor podłączony jako wzmacniacz w konfiguracji ze wspólną bazą, gdzie baza jest współdzielona pomiędzy obwodami wejściowym i wyjściowym.
Diagramy (b) i (c) ilustrują gęstość ładunku i rozkład pola elektrycznego w warunkach polaryzacji, w porównaniu ze stanem równowagi termicznej przedstawionym na poprzednim schemacie. Szerokość obszaru zubożenia na złączu emiter-baza zwęża się, podczas gdy obszar zubożenia na złączu kolektor-baza rozszerza się.
Diagram (d) przedstawia wykres pasm energetycznych tranzystora pracującego w trybie wzmocnienia. Złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co powoduje wstrzykiwanie dziur z obszaru emitera p+ do obszaru podstawy i wstrzykiwanie elektronów z obszaru podstawy do obszaru emitera.
Z drugiej strony złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo, co umożliwia przepływ wstecznego prądu nasycenia. Jeśli obszar podstawy jest wystarczająco wąski, dziury wstrzyknięte z obszaru emitera do obszaru podstawy mogą dyfundować przez obszar podstawy i dotrzeć do krawędzi obszaru wyczerpania kolektor-baza, ostatecznie przepływając przez obszar kolektora pod wpływem polaryzacji kolektora. złącze bazowe.
Z tego mechanizmu transportu powstają nazwy „emiter” dla wstrzykiwania nośników ładunku i „kolektor” dla zbierania nośników wstrzykiwanych z sąsiedniego węzła.
Jeśli większość wstrzykniętych dziur nie połączy się ponownie z elektronami w obszarze podstawy, ale dotrze do kolektora, prąd kolektora powodowany przez dziury będzie ściśle odpowiadał prądowi dziury emitera.
Jest oczywiste, że dziury wstrzyknięte z sąsiedniego złącza emiter-baza mogą generować znaczny prąd w spolaryzowanym odwrotnie złączu kolektor-baza, co prowadzi do efektu wzmocnienia tranzystora, który występuje tylko wtedy, gdy te dwa złącza są wystarczająco blisko siebie, dlatego nazywane są oddziałującymi złączami pn.
I odwrotnie, jeśli te dwa złącza pn są zbyt daleko od siebie, wszystkie wpadające dziury rekombinują z elektronami w obszarze bazy i nie docierają do obszaru kolektora, co skutkuje brakiem efektu wzmocnienia tranzystora. W tym przypadku struktura pnp działa po prostu jak dwie diody pn połączone ze sobą.
Wzmocnienie prądu: Poniższy schemat ilustruje różne składowe prądu w idealnym tranzystorze pnp pracującym w trybie wzmocnienia. Zakładając brak prądu rekombinacji generacji w obszarze zubożenia, dziury wstrzykiwane z obszaru emitera stanowią dominującą składową prądu IEp.
U podstawy płyną trzy prądy: IBB, IEn i ICn.
IBB reprezentuje prąd elektronów dostarczanych przez bazę, które rekombinują z padającymi dziurami (tj. IBB = IEp - ICp); IEn reprezentuje prąd elektronów wstrzykiwanych z obszaru podstawowego do obszaru emitera, który jest niepożądanym składnikiem prądu, który można zmniejszyć przez silne domieszkowanie emitera lub zastosowanie heterozłączy; ICn reprezentuje prąd elektronowy generowany w pobliżu złącza kolektora w wyniku efektów termicznych, przepływający od obszaru kolektora do obszaru podstawy.
Tryby pracy: W zależności od napięcia polaryzacji na złączu baza-emiter i baza-kolektor, tranzystory bipolarne mają cztery tryby pracy.
Poniższy schemat ilustruje cztery tryby pracy tranzystora pnp i ich relacje z VEB i VCB. Na schemacie przedstawiono także rozkład nośników mniejszościowych w poszczególnych trybach pracy.
Na przykład w trybie wzmocnienia złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo.
W trybie nasycenia oba złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co prowadzi do obecności nośników mniejszościowych w obszarach zubożenia obu skrzyżowań.
W trybie nasycenia małe napięcie może skutkować dużym prądem wyjściowym, wprowadzając tranzystor w stan przewodzenia podobny do zwarcia.
W trybie odcięcia oba złącza tranzystora są spolaryzowane zaporowo, co prowadzi do warunków brzegowych pn(0) = pn(W) = 0. Tranzystor w trybie odcięcia można postrzegać jako przełącznik w pozycji otwartej (lub wyłączonej). .
W trybie odwróconym złącze emiter-baza jest spolaryzowane zaporowo, a złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. W tym trybie elektroda kolektorowa pełni funkcję emitera i odwrotnie. Jednakże wzmocnienie prądu w trybie odwróconym jest zwykle mniejsze niż w trybie wzmocnienia ze względu na niższe stężenie domieszki w obszarze kolektora w porównaniu z obszarem podstawowym, co skutkuje niższą „efektywnością emisji”.
Przełączanie procesu przejściowego: W obwodach cyfrowych tranzystory działają głównie jako przełączniki. Używając małego prądu bazy, prąd kolektora można szybko zmienić z wyłączonego na włączony (i odwrotnie) w bardzo krótkim czasie. W stanie wyłączonym występuje wysokie napięcie i niski prąd, natomiast w stanie włączonym występuje niskie napięcie i wysoki prąd.
Tranzystory bipolarne heterozłączowe (HBT)
Tranzystory heterozłączowo-bipolarne (HBT) to tranzystory, w których jedno lub oba złącza wykonane są z różnych materiałów półprzewodnikowych.
Główną zaletą HBT jest ich wysoka wydajność emisyjna i są one stosowane podobnie jak tranzystory bipolarne. Jednakże HBT mają większą prędkość i mogą pracować na wyższych częstotliwościach. Ze względu na te cechy, HBT są szeroko stosowane w optoelektronice, mikrofalach i zastosowaniach cyfrowych. W zastosowaniach mikrofalowych HBT są powszechnie używane do produkcji półprzewodnikowych wzmacniaczy mocy mikrofalowych i milimetrowych, oscylatorów i mikserów.
Podstawowa struktura HBT: Większość technologii HBT opracowano w systemie materiałowym AlxGa1-xAs/GaAs. Podstawowa struktura npn HBT składa się z warstwy AlxGa1-xAs o szerokim przerwie wzbronionej w obszarze emitera typu n, warstwy GaAs o węższym przerwie wzbronionej w obszarze bazowym typu p oraz obszarów kolektora i subkolektora typu n wykonanych z słabo i silnie domieszkowanych Odpowiednio GaAs.
Zaawansowane HBT: W ostatnich latach systematycznie badano materiały z serii InP (takie jak InP/InGaAs lub AlInAs/InGaAs), a heterostruktury oparte na InP oferują wiele zalet. Struktura InP/InGaAs charakteryzuje się wyjątkowo niską rekombinacją powierzchniową, a ruchliwość elektronów InGaAs jest znacznie wyższa niż w przypadku GaAs, co skutkuje doskonałą wydajnością w wysokich częstotliwościach.
Poniższy wykres przedstawia charakterystykę typowego HBT na bazie fosforku indu, z częstotliwością odcięcia sięgającą 254 GHz. Dodatkowo InP wykazuje wyższą prędkość dryfu niż GaA w silnych polach elektrycznych, a także ma wyższe napięcie przebicia.
Niska gęstość pułapek interfejsu krzemowego pomaga zmniejszyć prąd rekombinacji powierzchniowej, zapewniając wysokie wzmocnienie prądowe nawet przy niskich prądach kolektora. Dodatkowo, kolejną bardzo atrakcyjną cechą jest kompatybilność ze standardową technologią przetwarzania krzemu.
Schemat w (a) ilustruje typową strukturę Si/SiGe HBT, natomiast (b) porównuje prąd kolektora Si/SiGe HBT z prądem krzemowego tranzystora bipolarnego z homozłączem, pokazując, że Si/SiGe HBT wykazuje większe wzmocnienie prądowe. W porównaniu do HBT na bazie arsenku galu i fosforku indu, Si/SiGe
HBT ma niższą częstotliwość odcięcia ze względu na niższą ruchliwość nośnika krzemu.
Podstawowe cechy: Poniższy schemat ilustruje przekrój poprzeczny tyrystora, który składa się z czterowarstwowej struktury p-n-pn utworzonej z trzech szeregowo połączonych złączy p-n, mianowicie J1, J2 i J3. Najbardziej zewnętrzna warstwa p połączona z elektrodą kontaktową nazywana jest anodą, a warstwa n po drugiej stronie – katodą. Ta struktura, bez dodatkowych elektrod, reprezentuje element dwuzaciskowy i jest znana jako dioda p-n-pn.
Wykres (c) ilustruje wykres pasm energii urządzenia tyrystorowego w równowadze termicznej. Każde złącze ma warstwę zubożoną, a wbudowany potencjał jest określony przez stężenie domieszki.
Jeśli impuls prądu bramki zostanie zastosowany blisko początku każdego cyklu, do obciążenia zostanie przeniesiona większa moc. I odwrotnie, opóźnienie impulsu prądu bramki spowoduje znacznie zmniejszoną moc dostarczaną do obciążenia, gdy urządzenie tyrystorowe przewodzi pod koniec cyklu.
Bipolarny tranzystor złączowy został wynaleziony przez zespół badawczy w Bell Laboratories w 1947 roku. Pierwszy tranzystor składał się z dwóch metalowych drutów z ostrymi końcami, stykających się punktowo z germanowym podłożem. Choć prymitywny jak na dzisiejsze standardy, ten pierwszy tranzystor znacząco zmienił cały przemysł elektroniczny i sposób życia ludzkości.
W nowoczesnych tranzystorach bipolarnych krzem zastąpił german jako podłoże, a kontakt punktowy zastąpiono dwoma sąsiadującymi, sprzężonymi złączami pn. Struktura może mieć postać pnp lub npn.
Tranzystor, skrót od „rezystor transferowy”, to wielozłączowe urządzenie półprzewodnikowe. Tranzystory, zwykle zintegrowane z innymi elementami obwodu, służą do uzyskania wzmocnienia napięcia, prądu lub mocy sygnału.
Tranzystory bipolarne, znane również jako bipolarne tranzystory złączowe (BJT), należą do najważniejszych urządzeń półprzewodnikowych i znajdują szerokie zastosowanie w obwodach o dużej szybkości, obwodach analogowych, wzmacnianiu mocy i nie tylko.
Co to jest złącze PN?
Jest to złącze utworzone przez kontakt półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n.
Na przykład półprzewodnik typu p przypomina kwadratowy kawałek gliny wypełniony wieloma dziurami (zwanymi dziurami elektronowymi), podobnymi do nor spotykanych u homarów. Półprzewodnik typu n jest również kwadratowym kawałkiem gliny, ale jest wypełniony wieloma homarami (wolnymi elektronami). Kiedy skleimy te dwa kawałki gliny, homary będą pełzać w stronę nor.
Homary znajdujące się najbliżej przodu jako pierwsze znajdują nory w pierwszym rzędzie. Gdy homary z pierwszego rzędu wpełzną do nor, homary znajdujące się za nimi muszą wspiąć się dalej i napotkać większe trudności ze znalezieniem nor.
Ponieważ nory w pierwszych rzędach są już prawie wyczerpane, przemysł półprzewodników określa ten obszar mianem obszaru wyczerpania.
Złącze PN ma cechę zwaną prostowaniem, która umożliwia przepływ prądu tylko w jednym kierunku.
To jest jak z drzwiami: łatwo jest pchnąć drzwi w jednym kierunku, ale jest to trudne, jeśli spróbujesz je popchnąć w przeciwnym kierunku. Oczywiście można użyć dużej siły, aby gwałtownie popchnąć drzwi, aż się rozbiją, co nazywamy awarią złącza.
Patrząc na charakterystykę prądowo-napięciową złącza PN, krzywa jest pokazana na poniższym schemacie.
Kiedy do złącza PN stosowane jest odchylenie w kierunku przewodzenia, przypomina to zakładanie opasek na oczy homarom w błocie. Homary stają się krótkowzroczne i widzą tylko nory w pierwszym rzędzie. W rezultacie zmniejsza się ogólny ruch homarów, a także zmniejsza się liczba homarów pełzających w kierunku nor, zmniejszając szerokość obszaru wyczerpania.
Gdy na złączu PN zostanie zastosowane odwrotne napięcie, to tak jakby rzucić homarowi teleskop w błoto. Homary widzą dalej i pełzają z większą ekscytacją, co prowadzi do tego, że więcej homarów znajduje nory. W rezultacie zwiększa się ogólny ruch homarów i zwiększa się szerokość obszaru zubożenia półprzewodnika.
Na poniższym rysunku (a) przedstawia normalną szerokość obszaru zubożenia w złączu PN, (b) pokazuje szerokość po zastosowaniu polaryzacji w kierunku przewodzenia i (c) pokazuje szerokość po zastosowaniu polaryzacji zaporowej.
Struktura tranzystora bipolarnego:
Poniższy schemat przedstawia widok perspektywiczny tranzystora bipolarnego pnp. Proces produkcyjny polega na zastosowaniu półprzewodnika typu p jako podłoża, wykorzystując zasadę dyfuzji cieplnej w celu utworzenia obszaru typu n na podłożu typu p. Następnie na tym obszarze typu n w wyniku dyfuzji termicznej tworzy się region typu p+ o wysokim stężeniu. Na koniec metal służy do pokrycia obszarów p+, n i leżących pod nimi obszarów typu p, tworząc styki omowe.
Tranzystor bipolarny pnp składa się z trzech obszarów o różnym stężeniu domieszkowania, tworząc dwa złącza pn. Region p+ o najwyższym stężeniu nazywany jest emiterem (oznaczony jako E);
Pośredni wąski obszar typu n, z umiarkowanym stężeniem zanieczyszczeń, nazywany jest bazą (oznaczoną przez B), a szerokość obszaru bazowego musi być znacznie mniejsza niż długość dyfuzji nośników mniejszościowych;
Region o najniższym stężeniu typu p nazywany jest kolektorem (oznaczony jako C). Zakładając równomierny rozkład stężeń w każdym obszarze, koncepcję złącza pn można bezpośrednio zastosować do złączy w tranzystorze.
Poniższy schemat przedstawia symbol obwodu tranzystora bipolarnego pnp, wskazując różne składowe prądu i polaryzację napięcia. Strzałki oraz symbole „+” i „–” przedstawiają kierunki prądów i polaryzację napięć w ogólnym trybie pracy (tzn. trybie wzmocnienia, trybie aktywnym) tranzystora. W tym trybie złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia (VEB > 0), podczas gdy złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo (VCB < 0). Według
Prawo obwodów Kirchhoffa dla tego urządzenia z trzema zaciskami istnieją tylko dwa niezależne prądy; jeśli znane są dwa dowolne prądy, można wyznaczyć trzeci prąd końcowy.
Prawo obwodów Kirchhoffa dla tego urządzenia z trzema zaciskami istnieją tylko dwa niezależne prądy; jeśli znane są dwa dowolne prądy, można wyznaczyć trzeci prąd końcowy.
Struktura i symbol obwodu tranzystora bipolarnego npn są komplementarne do tranzystora bipolarnego pnp. Poniższy schemat przedstawia idealną strukturę i symbol obwodu tranzystora pnp.
Zastąpienie regionów typu p obszarami typu n i regionu typu n obszarem typu p w strukturze tranzystora bipolarnego pnp daje strukturę tranzystora bipolarnego npn. Dlatego kierunek prądu i polaryzacja napięcia są również odwrócone.
Rozumiejąc tranzystor pnp, można opisać tranzystor npn, po prostu zamieniając polaryzację i typy domieszkowania.
IV. Tryb wzmocnienia tranzystora bipolarnego
Schemat (a) przedstawia idealny tranzystor bipolarny pnp w równowadze termicznej, gdzie jego trzy zaciski są połączone razem lub wszystkie połączone z masą, przy czym zacienione obszary reprezentują obszary zubożenia dwóch złączy pn.
Wykres (b) ilustruje stężenia zanieczyszczeń w trzech domieszkowanych obszarach, przy czym obszar emitera ma znacznie wyższe stężenie domieszkowania niż obszar kolektora, a obszar bazowy ma stężenie niższe niż emiter, ale wyższe niż kolektor.
Diagram (c) przedstawia rozkład pola elektrycznego w obszarze zubożenia.
Diagram (d) przedstawia wykres pasm energetycznych tranzystora, rozszerzający stan równowagi termicznej złączy pn i stosujący go do dwóch sąsiednich sprzężonych złączy p+ - n i złącza n - p.
Poniższy schemat odpowiada tranzystorowi pracującemu w trybie wzmocnienia, jak pokazano na poprzedniej ilustracji.
Schemat (a) przedstawia tranzystor podłączony jako wzmacniacz w konfiguracji ze wspólną bazą, gdzie baza jest współdzielona pomiędzy obwodami wejściowym i wyjściowym.
Diagramy (b) i (c) ilustrują gęstość ładunku i rozkład pola elektrycznego w warunkach polaryzacji, w porównaniu ze stanem równowagi termicznej przedstawionym na poprzednim schemacie. Szerokość obszaru zubożenia na złączu emiter-baza zwęża się, podczas gdy obszar zubożenia na złączu kolektor-baza rozszerza się.
Diagram (d) przedstawia wykres pasm energetycznych tranzystora pracującego w trybie wzmocnienia. Złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co powoduje wstrzykiwanie dziur z obszaru emitera p+ do obszaru podstawy i wstrzykiwanie elektronów z obszaru podstawy do obszaru emitera.
W idealnej diodzie nie występuje prąd generacji-rekombinacji w obszarze zubożonym, więc dziury wstrzykiwane z obszaru emitera do obszaru bazy i elektrony wstrzykiwane z obszaru bazy do obszaru emitera stanowią prąd emitera.
Z drugiej strony złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo, co umożliwia przepływ wstecznego prądu nasycenia. Jeśli obszar podstawy jest wystarczająco wąski, dziury wstrzyknięte z obszaru emitera do obszaru podstawy mogą dyfundować przez obszar podstawy i dotrzeć do krawędzi obszaru wyczerpania kolektor-baza, ostatecznie przepływając przez obszar kolektora pod wpływem polaryzacji kolektora. złącze bazowe.
Z tego mechanizmu transportu powstają nazwy „emiter” dla wstrzykiwania nośników ładunku i „kolektor” dla zbierania nośników wstrzykiwanych z sąsiedniego węzła.
Jeśli większość wstrzykniętych dziur nie połączy się ponownie z elektronami w obszarze podstawy, ale dotrze do kolektora, prąd kolektora powodowany przez dziury będzie ściśle odpowiadał prądowi dziury emitera.
Jest oczywiste, że dziury wstrzyknięte z sąsiedniego złącza emiter-baza mogą generować znaczny prąd w spolaryzowanym odwrotnie złączu kolektor-baza, co prowadzi do efektu wzmocnienia tranzystora, który występuje tylko wtedy, gdy te dwa złącza są wystarczająco blisko siebie, dlatego nazywane są oddziałującymi złączami pn.
I odwrotnie, jeśli te dwa złącza pn są zbyt daleko od siebie, wszystkie wpadające dziury rekombinują z elektronami w obszarze bazy i nie docierają do obszaru kolektora, co skutkuje brakiem efektu wzmocnienia tranzystora. W tym przypadku struktura pnp działa po prostu jak dwie diody pn połączone ze sobą.
Wzmocnienie prądu: Poniższy schemat ilustruje różne składowe prądu w idealnym tranzystorze pnp pracującym w trybie wzmocnienia. Zakładając brak prądu rekombinacji generacji w obszarze zubożenia, dziury wstrzykiwane z obszaru emitera stanowią dominującą składową prądu IEp.
Większość otworów padających dotrze do elektrody kolektora i utworzy ICp.
U podstawy płyną trzy prądy: IBB, IEn i ICn.
IBB reprezentuje prąd elektronów dostarczanych przez bazę, które rekombinują z padającymi dziurami (tj. IBB = IEp - ICp); IEn reprezentuje prąd elektronów wstrzykiwanych z obszaru podstawowego do obszaru emitera, który jest niepożądanym składnikiem prądu, który można zmniejszyć przez silne domieszkowanie emitera lub zastosowanie heterozłączy; ICn reprezentuje prąd elektronowy generowany w pobliżu złącza kolektora w wyniku efektów termicznych, przepływający od obszaru kolektora do obszaru podstawy.
Tryby pracy: W zależności od napięcia polaryzacji na złączu baza-emiter i baza-kolektor, tranzystory bipolarne mają cztery tryby pracy.
Poniższy schemat ilustruje cztery tryby pracy tranzystora pnp i ich relacje z VEB i VCB. Na schemacie przedstawiono także rozkład nośników mniejszościowych w poszczególnych trybach pracy.
Na przykład w trybie wzmocnienia złącze emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze kolektor-baza jest spolaryzowane zaporowo.
W trybie nasycenia oba złącza tranzystora są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, co prowadzi do obecności nośników mniejszościowych w obszarach zubożenia obu skrzyżowań.
W trybie nasycenia małe napięcie może skutkować dużym prądem wyjściowym, wprowadzając tranzystor w stan przewodzenia podobny do zwarcia.
W trybie odcięcia oba złącza tranzystora są spolaryzowane zaporowo, co prowadzi do warunków brzegowych pn(0) = pn(W) = 0. Tranzystor w trybie odcięcia można postrzegać jako przełącznik w pozycji otwartej (lub wyłączonej). .
W trybie odwróconym złącze emiter-baza jest spolaryzowane zaporowo, a złącze kolektor-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia. W tym trybie elektroda kolektorowa pełni funkcję emitera i odwrotnie. Jednakże wzmocnienie prądu w trybie odwróconym jest zwykle mniejsze niż w trybie wzmocnienia ze względu na niższe stężenie domieszki w obszarze kolektora w porównaniu z obszarem podstawowym, co skutkuje niższą „efektywnością emisji”.
Przełączanie procesu przejściowego: W obwodach cyfrowych tranzystory działają głównie jako przełączniki. Używając małego prądu bazy, prąd kolektora można szybko zmienić z wyłączonego na włączony (i odwrotnie) w bardzo krótkim czasie. W stanie wyłączonym występuje wysokie napięcie i niski prąd, natomiast w stanie włączonym występuje niskie napięcie i wysoki prąd.
Tranzystory bipolarne heterozłączowe (HBT)
Tranzystory heterozłączowo-bipolarne (HBT) to tranzystory, w których jedno lub oba złącza wykonane są z różnych materiałów półprzewodnikowych.
Główną zaletą HBT jest ich wysoka wydajność emisyjna i są one stosowane podobnie jak tranzystory bipolarne. Jednakże HBT mają większą prędkość i mogą pracować na wyższych częstotliwościach. Ze względu na te cechy, HBT są szeroko stosowane w optoelektronice, mikrofalach i zastosowaniach cyfrowych. W zastosowaniach mikrofalowych HBT są powszechnie używane do produkcji półprzewodnikowych wzmacniaczy mocy mikrofalowych i milimetrowych, oscylatorów i mikserów.
Podstawowa struktura HBT: Większość technologii HBT opracowano w systemie materiałowym AlxGa1-xAs/GaAs. Podstawowa struktura npn HBT składa się z warstwy AlxGa1-xAs o szerokim przerwie wzbronionej w obszarze emitera typu n, warstwy GaAs o węższym przerwie wzbronionej w obszarze bazowym typu p oraz obszarów kolektora i subkolektora typu n wykonanych z słabo i silnie domieszkowanych Odpowiednio GaAs.
Aby utworzyć kontakt omowy, między stykiem emitera a warstwą arsenku galu glinu dodaje się wysoce domieszkowaną warstwę arsenku galu typu n. Ze względu na znaczną różnicę w szerokości pasma wzbronionego pomiędzy obszarem emitera i bazowym, wzmocnienie prądowe wspólnego emitera można znacznie zwiększyć. W przeciwieństwie do tego, homozłączowe tranzystory bipolarne nie mają takiej różnicy szerokości pasma wzbronionego, a zatem stosunek stężenia domieszkowania pomiędzy obszarami emitera i bazowymi musi zostać znacznie zwiększony. Ta podstawowa różnica odróżnia homozłącze od heterozłączy tranzystorów bipolarnych.
Zaawansowane HBT: W ostatnich latach systematycznie badano materiały z serii InP (takie jak InP/InGaAs lub AlInAs/InGaAs), a heterostruktury oparte na InP oferują wiele zalet. Struktura InP/InGaAs charakteryzuje się wyjątkowo niską rekombinacją powierzchniową, a ruchliwość elektronów InGaAs jest znacznie wyższa niż w przypadku GaAs, co skutkuje doskonałą wydajnością w wysokich częstotliwościach.
Poniższy wykres przedstawia charakterystykę typowego HBT na bazie fosforku indu, z częstotliwością odcięcia sięgającą 254 GHz. Dodatkowo InP wykazuje wyższą prędkość dryfu niż GaA w silnych polach elektrycznych, a także ma wyższe napięcie przebicia.
Innym typem heterozłącza jest system materiałów Si/SiGe, który oferuje kilka atrakcyjnych cech do zastosowań HBT. Podobnie jak AlGaAs/GaAs HBT, Si/SiGe HBT również korzysta z możliwości silnego domieszkowania ze względu na różnicę szerokości pasma wzbronionego, co skutkuje dużą wydajnością.
Niska gęstość pułapek interfejsu krzemowego pomaga zmniejszyć prąd rekombinacji powierzchniowej, zapewniając wysokie wzmocnienie prądowe nawet przy niskich prądach kolektora. Dodatkowo, kolejną bardzo atrakcyjną cechą jest kompatybilność ze standardową technologią przetwarzania krzemu.
Schemat w (a) ilustruje typową strukturę Si/SiGe HBT, natomiast (b) porównuje prąd kolektora Si/SiGe HBT z prądem krzemowego tranzystora bipolarnego z homozłączem, pokazując, że Si/SiGe HBT wykazuje większe wzmocnienie prądowe. W porównaniu do HBT na bazie arsenku galu i fosforku indu, Si/SiGe
HBT ma niższą częstotliwość odcięcia ze względu na niższą ruchliwość nośnika krzemu.
Sekcja VI: Urządzenia tyrystorowe i powiązane urządzenia zasilające
Urządzenia tyrystorowe są kluczowymi elementami mocy zdolnymi do kontrolowania wysokiego napięcia i wysokiego prądu, umożliwiając przejście urządzenia ze stanu zamkniętego lub zablokowanego do stanu otwartego lub przewodzącego i odwrotnie. Ich działanie jest ściśle powiązane z tranzystorami bipolarnymi, polegającymi na przewodzeniu zarówno elektronów, jak i dziur.
Jednak ich mechanizm przełączania i budowa różnią się od tranzystorów bipolarnych, oferując szeroki zakres możliwości kontroli prądu i napięcia. Prąd znamionowy może wynosić od kilku miliamperów do ponad 5000A, przy napięciu znamionowym przekraczającym 10,000 XNUMX V.
Jednak ich mechanizm przełączania i budowa różnią się od tranzystorów bipolarnych, oferując szeroki zakres możliwości kontroli prądu i napięcia. Prąd znamionowy może wynosić od kilku miliamperów do ponad 5000A, przy napięciu znamionowym przekraczającym 10,000 XNUMX V.
Podstawowe cechy: Poniższy schemat ilustruje przekrój poprzeczny tyrystora, który składa się z czterowarstwowej struktury p-n-pn utworzonej z trzech szeregowo połączonych złączy p-n, mianowicie J1, J2 i J3. Najbardziej zewnętrzna warstwa p połączona z elektrodą kontaktową nazywana jest anodą, a warstwa n po drugiej stronie – katodą. Ta struktura, bez dodatkowych elektrod, reprezentuje element dwuzaciskowy i jest znana jako dioda p-n-pn.
Jeżeli do wewnętrznej warstwy p2 zostanie podłączona kolejna elektroda, zwana bramką, powstałe w ten sposób urządzenie trójzaciskowe nazywa się prostownikiem sterowanym półprzewodnikowo (SCR) lub tyrystorem.
Schemat w (b) przedstawia typowy profil domieszkowania urządzenia tyrystorowego. Rozpoczyna się od płytki krzemowej typu n o wysokiej rezystancji jako materiału wyjściowego (warstwa n), po czym następuje etap dyfuzji w celu jednoczesnego utworzenia warstw p1 i p2. Na koniec stosuje się tworzenie stopów lub dyfuzję w celu utworzenia warstwy n2 po jednej stronie płytki krzemowej.
Wykres (c) ilustruje wykres pasm energii urządzenia tyrystorowego w równowadze termicznej. Każde złącze ma warstwę zubożoną, a wbudowany potencjał jest określony przez stężenie domieszki.
Schemat ilustruje proste zastosowanie urządzenia tyrystorowego, które może regulować moc dostarczaną z linii energetycznej do obciążenia. Obciążeniem RL może być na przykład żarówka lub grzejnik. Moc dostarczana do obciążenia w każdym cyklu jest kontrolowana przez impuls prądu bramki urządzenia tyrystorowego.
Jeśli impuls prądu bramki zostanie zastosowany blisko początku każdego cyklu, do obciążenia zostanie przeniesiona większa moc. I odwrotnie, opóźnienie impulsu prądu bramki spowoduje znacznie zmniejszoną moc dostarczaną do obciążenia, gdy urządzenie tyrystorowe przewodzi pod koniec cyklu.
To wszystkie informacje dotyczące tranzystorów bipolarnych.
Powiązane rekomendacje
粤公网安备44030002007346号