servis Hattı
köşe yazarı
köşe yazarı
Bipolar bağlantı transistörleri (BJT'ler) hakkında her şey
2024-03-21
2597
Bipolar Bağlantı Transistörlerinin Kökeni
Modern çift kutuplu bağlantı transistörlerinde, substrat olarak germanyumun yerini silikon almıştır ve nokta temasının yerini iki bitişik bağlı pn bağlantısı almıştır. Yapı pnp veya npn şeklini alabilir.
"Transistör"ün kısaltması olan transistör, çok bağlantılı bir yarı iletken cihazdır. Tipik olarak diğer devre bileşenleriyle entegre olan transistörler, voltaj, akım veya sinyal gücü amplifikasyonunu elde etmek için kullanılır.
Bipolar bağlantı transistörleri (BJT'ler) olarak da bilinen bipolar transistörler, en önemli yarı iletken cihazlar arasındadır ve yüksek hızlı devrelerde, analog devrelerde, güç amplifikasyonunda ve daha fazlasında geniş uygulamalar bulur.
Örneğin, p-tipi bir yarı iletken, ıstakozlarda görülen yuvalara benzer şekilde, birçok delikle (elektron delikleri olarak bilinir) dolu kare bir kil parçasına benzer. N-tipi bir yarı iletken de kare şeklinde bir kil parçasıdır, ancak birçok ıstakozla (serbest elektronlarla) doludur. Bu iki kil parçasını birbirine yapıştırdığımızda ıstakozlar yuvalara doğru sürünecek.
Ön sıralardaki yuvalar neredeyse tükenmek üzere olduğundan, yarı iletken endüstrisi bu bölgeyi tükenme bölgesi olarak adlandırıyor.
Bu bir kapı gibidir: Bir kişinin kapıyı bir yönde iterek açması kolaydır, ancak ters yönde itmeye çalışırsanız zordur. Elbette büyük bir güç kullanarak kapıyı kırılıncaya kadar şiddetli bir şekilde itebilirsiniz, bu işleme kavşağın bozulması adını veriyoruz.
Bir PN bağlantısının akım-gerilim özelliklerine bakıldığında eğri aşağıdaki şemada gösterildiği gibidir.
Bir PN bağlantısına ters öngerilim uygulandığında, bu, ıstakozların teleskoplarını çamura sokmak gibidir. Istakozlar daha uzağı görebilir ve daha heyecanlı bir şekilde sürünebilir, bu da daha fazla ıstakozun yuva bulmasına yol açar. Sonuç olarak, ıstakozların genel hareketi artar ve yarı iletkenin tükenme bölgesinin genişliği genişler.
Aşağıdaki diyagram bir pnp bipolar transistörün perspektif görünümünü göstermektedir. Üretim süreci, p-tipi substrat üzerinde n-tipi bir bölge oluşturmak için termal difüzyon ilkesinden faydalanarak, substrat olarak p-tipi bir yarı iletken kullanılmasını içerir. Daha sonra bu n-tipi bölge üzerinde termal difüzyon yoluyla yüksek konsantrasyonlu p+ tipi bir bölge oluşur. Son olarak, omik kontaklar oluşturmak için p+, n ve alttaki p tipi bölgeleri kaplamak için metal kullanılır.
Orta derecede safsızlık konsantrasyonuna sahip orta düzey dar n-tipi bölgeye baz adı verilir (B ile gösterilir) ve baz bölgesinin genişliğinin, azınlık taşıyıcıların difüzyon uzunluğundan çok daha küçük olması gerekir;
P tipi konsantrasyonun en düşük olduğu bölgeye toplayıcı adı verilir (C ile gösterilir). Her bölge içindeki konsantrasyonların düzgün bir şekilde dağıldığını varsayarsak, pn bağlantısı kavramı doğrudan transistör içindeki bağlantı noktalarına uygulanabilir.
Bir pnp bipolar transistörün yapısındaki p-tipi bölgelerin n-tipi bölgelerle ve n-tipi bölgenin bir p-tipi bölgeyle değiştirilmesi, bir npn bipolar transistörün yapısını verir. Bu nedenle akım yönü ve gerilim polaritesi de tersine çevrilir.
Diyagram (a), iki pn bağlantısının tükenme bölgelerini temsil eden gölgeli bölgeler ile üç terminalinin birbirine bağlandığı veya hepsinin toprağa bağlandığı termal dengede ideal pnp bipolar transistörü gösterir.
Diyagram (b), üç katkılı bölgedeki safsızlık konsantrasyonlarını göstermektedir; yayıcı bölge, toplayıcı bölgeden çok daha yüksek bir katkı konsantrasyonuna sahiptir ve baz bölgesi, yayıcı bölgeden daha düşük ancak toplayıcıdan daha yüksek bir konsantrasyona sahiptir.
Diyagram (c), tükenme bölgesindeki elektrik alanı dağılımını göstermektedir.
Diyagram (d), pn bağlantılarının termal denge durumunu genişleterek ve bunu iki bitişik bağlı p+ - n bağlantı noktasına ve n - p bağlantı noktasına uygulayarak transistörün enerji bant diyagramını gösterir.
Diyagram (a), bazın giriş ve çıkış devreleri arasında paylaşıldığı, ortak tabanlı bir konfigürasyon amplifikatörü olarak bağlanan transistörü göstermektedir.
(b) ve (c) diyagramları, önceki diyagramda gösterilen termal denge durumuyla karşılaştırıldığında öngerilim koşulları altında yük yoğunluğunu ve elektrik alan dağılımını göstermektedir. Verici-taban birleşimindeki tükenme bölgesinin genişliği daralırken, kolektör-taban birleşimindeki tükenme bölgesi genişliyor.
Diyagram (d), amplifikasyon modunda çalışan transistörün enerji bant diyagramını gösterir. Emitör-taban bağlantısı ileri yönde eğimlidir ve deliklerin p+ emitör bölgesinden baz bölgesine enjekte edilmesine ve elektronların baz bölgeden emitör bölgesine enjekte edilmesine neden olur.
Öte yandan, kolektör-taban bağlantısı ters yönlüdür ve ters doyma akımının akmasına izin verir. Taban bölgesi yeterince darsa, yayıcı bölgeden taban bölgesine enjekte edilen delikler, taban bölgesi boyunca yayılabilir ve toplayıcı-taban tükenme bölgesinin kenarına ulaşabilir ve sonunda toplayıcının eğilimi altında toplayıcı bölge boyunca akabilir. baz kavşağı.
Bu taşıma mekanizması, yük taşıyıcıları enjekte etmek için "yayıcı" ve bitişik bağlantıdan enjekte edilen taşıyıcıları toplamak için "toplayıcı" adlarının ortaya çıkmasına neden olur.
Enjekte edilen deliklerin çoğu taban bölgesindeki elektronlarla yeniden birleşmez ve toplayıcıya ulaşırsa deliklerden kaynaklanan kolektör akımı, yayıcı delik akımıyla yakından eşleşecektir.
Bitişik emitör-taban bağlantısından enjekte edilen deliklerin, ters taraflı kolektör-taban bağlantısında önemli bir akım üretebildiği ve bu, yalnızca bu iki bağlantı noktası birbirine yeterince yakın olduğunda ortaya çıkan transistörün amplifikasyon etkisine yol açtığı açıktır. dolayısıyla etkileşimli pn bağlantıları olarak anılır.
Tersine, eğer bu iki pn bağlantısı birbirinden çok uzaktaysa, gelen tüm delikler taban bölgesindeki elektronlarla yeniden birleşecek ve toplayıcı bölgeye ulaşamayacaktır, bu da transistörün amplifikasyon etkisine yol açmayacaktır. Bu durumda, pnp yapısı basitçe arka arkaya bağlı iki pn diyotu gibi davranır.
Akım kazancı: Aşağıdaki diyagram, amplifikasyon modunda çalışan ideal bir pnp transistöründeki çeşitli akım bileşenlerini göstermektedir. Tükenme bölgesinde üretim-rekombinasyon akımının olmadığı varsayıldığında, yayıcı bölgeden enjekte edilen delikler, baskın akım bileşeni IEp'yi oluşturur.
Tabanda üç akım vardır: IBB, IEn ve ICn.
IBB, gelen deliklerle yeniden birleşen, baz tarafından sağlanan elektronların akımını temsil eder (yani, IBB = IEp - ICp); IEn, baz bölgeden yayıcı bölgeye enjekte edilen elektronların akımını temsil eder; bu, yayıcının ağır katkılanmasıyla ya da heteroeklemler kullanılarak azaltılabilen istenmeyen bir akım bileşenidir; ICn, kollektör bölgesinden taban bölgesine doğru akan, termal etkilerden dolayı kolektör bağlantısı yakınında üretilen elektron akımını temsil eder.
Çalışma modları: Verici-taban bağlantısı ve toplayıcı-taban bağlantısındaki ön gerilimlere bağlı olarak, bipolar transistörlerin dört çalışma modu vardır.
Aşağıdaki diyagram bir pnp transistörün dört çalışma modunu ve bunların VEB ve VCB ile ilişkilerini göstermektedir. Azınlık taşıyıcılarının her çalışma modundaki dağılımı da şemada gösterilmiştir.
Örneğin, amplifikasyon modunda, yayıcı-taban bağlantısı ileri yönde öngerilimlidir ve toplayıcı-taban bağlantısı ters yönde öngerilimlidir.
Doygunluk modunda, transistörün her iki bağlantısı da ileriye doğru eğimlidir, bu da her iki bağlantı noktasının tükenme bölgelerinde azınlık taşıyıcılarının varlığına yol açar.
Doyma modunda, küçük bir voltaj, büyük bir çıkış akımına neden olabilir ve transistörü kısa devreye benzer bir iletken duruma sokar.
Kesme modunda, transistörün her iki bağlantısı da ters kutuplu olup, pn(0) = pn(W) = 0 sınır koşullarına yol açar. Kesme modundaki transistör, açık (veya kapalı) konumdaki bir anahtar olarak görülebilir. .
Tersine çevrilmiş modda, yayıcı-taban bağlantısı ters yönde öngerilimlidir ve kolektör-taban bağlantısı ileri yönde öngerilimlidir. Bu modda, toplayıcı elektrot yayıcı olarak görev yapar ve bunun tersi de geçerlidir. Bununla birlikte, ters çevrilmiş moddaki akım kazancı, baz bölgeye kıyasla toplayıcı bölgedeki daha düşük katkı konsantrasyonu nedeniyle tipik olarak amplifikasyon moduna göre daha küçüktür ve bu da daha düşük "emisyon verimliliği" ile sonuçlanır.
Geçici geçiş süreci: Dijital devrelerde transistörler esas olarak anahtar görevi görür. Küçük bir taban akımı kullanılarak, kollektör akımı çok kısa bir sürede hızlı bir şekilde kapalı durumdan açık duruma (ve tam tersi) değiştirilebilir. Kapalı durumda, yüksek voltaj ve düşük akım vardır, açık durumda ise düşük voltaj ve yüksek akım vardır.
Heteroeklem Bipolar Transistörler (HBT'ler)
Heteroeklemli Bipolar Transistörler (HBT'ler), bir veya her iki bağlantının farklı yarı iletken malzemelerden yapıldığı transistörleri ifade eder.
HBT'lerin temel avantajı yüksek emisyon verimliliğidir ve bipolar transistörlere benzer şekilde kullanılırlar. Ancak HBT'ler daha yüksek hıza sahiptir ve daha yüksek frekanslarda çalışabilirler. Bu özelliklerinden dolayı HBT'ler optoelektronik, mikrodalga ve dijital uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikrodalga uygulamalarında HBT'ler yaygın olarak katı hal mikrodalga ve milimetre dalga güç amplifikatörleri, osilatörler ve karıştırıcılar üretmek için kullanılır.
Temel HBT yapısı: Çoğu HBT teknolojisi AlxGa1-xAs/GaAs malzeme sisteminde geliştirilmiştir. Temel npn HBT yapısı, n-tipi emitör bölgesinde geniş bant aralıklı AlxGa1-xAs katmanından, p-tipi baz bölgesinde daha dar bant aralıklı GaAs katmanından ve hafif katkılı ve ağır katkılı n-tipi toplayıcı ve alt toplayıcı bölgelerden oluşur. Sırasıyla GaAs.
Gelişmiş HBT'ler: Son yıllarda InP serisindeki malzemeler (InP/InGaAs veya AlInAs/InGaAs gibi) sistematik olarak araştırılmaktadır ve InP tabanlı heteroyapılar çok sayıda avantaj sunmaktadır. InP/InGaAs yapısı son derece düşük yüzey rekombinasyonu sergiler ve InGaAs'ın elektron hareketliliği GaAs'ınkinden çok daha yüksektir, bu da mükemmel yüksek frekans performansı sağlar.
Aşağıdaki grafik, kesme frekansı 254 GHz'e ulaşan tipik bir indiyum fosfit bazlı HBT'nin karakteristik eğrisini göstermektedir. Ek olarak InP, güçlü elektrik alanları altında GaAs'tan daha yüksek bir sürüklenme hızı sergiler ve ayrıca daha yüksek bir arıza voltajına sahiptir.
Silikon arayüz tuzaklarının düşük yoğunluğu, yüzey rekombinasyon akımının azaltılmasına yardımcı olarak düşük toplayıcı akımlarında bile yüksek akım kazancı sağlar. Ek olarak, standart silikon işleme teknolojisiyle uyumluluk da son derece çekici bir özelliktir.
(a)'daki diyagram tipik bir Si/SiGe HBT yapısını gösterirken, (b) Si/SiGe HBT'nin kollektör akımını silikon homoeklemli bipolar transistörünkiyle karşılaştırır ve Si/SiGe HBT'nin daha yüksek akım kazancı sergilediğini gösterir. Galyum arsenit ve indiyum fosfit bazlı HBT'lerle karşılaştırıldığında Si/SiGe
HBT, silikonun düşük taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha düşük bir kesme frekansına sahiptir.
Temel Özellikler: Aşağıdaki şema, J1, J2 ve J3 olmak üzere seri bağlı üç pn bağlantısından oluşan dört katmanlı bir pnpn yapısından oluşan bir tristör cihazının kesitini göstermektedir. Kontak elektroduna bağlanan en dıştaki p katmanına anot, diğer tarafın n katmanına ise katot adı verilir. Ek elektrotlar içermeyen bu yapı, iki terminalli bir cihazı temsil eder ve pnpn diyot olarak bilinir.
Diyagram (c), termal dengede tristör cihazının enerji bant diyagramını göstermektedir. Her bağlantı noktasının bir tükenme katmanı vardır ve yerleşik potansiyel, katkı konsantrasyonuyla belirlenir.
Eğer kapı akım darbesi her çevrimin başlangıcına yakın bir zamanda uygulanırsa yüke daha fazla güç aktarılacaktır. Tersine, geçit akım darbesinin geciktirilmesi, tristör cihazı çevrimin sonuna doğru iletilirken yüke iletilen gücün önemli ölçüde azalmasıyla sonuçlanacaktır.
Bipolar bağlantı transistörü, 1947'de Bell Laboratuvarlarındaki bir araştırma ekibi tarafından icat edildi. İlk transistör, germanyum substratla nokta teması sağlayan keskin uç noktaları olan iki metal telden oluşuyordu. Günümüz standartlarına göre ilkel olsa da, bu ilk transistör tüm elektronik endüstrisini ve insanlığın yaşam biçimini önemli ölçüde değiştirdi.
Modern çift kutuplu bağlantı transistörlerinde, substrat olarak germanyumun yerini silikon almıştır ve nokta temasının yerini iki bitişik bağlı pn bağlantısı almıştır. Yapı pnp veya npn şeklini alabilir.
"Transistör"ün kısaltması olan transistör, çok bağlantılı bir yarı iletken cihazdır. Tipik olarak diğer devre bileşenleriyle entegre olan transistörler, voltaj, akım veya sinyal gücü amplifikasyonunu elde etmek için kullanılır.
Bipolar bağlantı transistörleri (BJT'ler) olarak da bilinen bipolar transistörler, en önemli yarı iletken cihazlar arasındadır ve yüksek hızlı devrelerde, analog devrelerde, güç amplifikasyonunda ve daha fazlasında geniş uygulamalar bulur.
PN Kavşağı nedir?
P-tipi bir yarı iletken ile n-tipi bir yarı iletken arasındaki temasla oluşturulan bir bağlantıdır.
Örneğin, p-tipi bir yarı iletken, ıstakozlarda görülen yuvalara benzer şekilde, birçok delikle (elektron delikleri olarak bilinir) dolu kare bir kil parçasına benzer. N-tipi bir yarı iletken de kare şeklinde bir kil parçasıdır, ancak birçok ıstakozla (serbest elektronlarla) doludur. Bu iki kil parçasını birbirine yapıştırdığımızda ıstakozlar yuvalara doğru sürünecek.
En öndeki ıstakozlar, ön sıradaki yuvaları ilk bulanlardır. Ön sıradaki ıstakozlar yuvalara girdikten sonra, arkalarındaki ıstakozlar daha uzağa tırmanmak zorunda kalır ve yuva bulmakta daha büyük zorluklarla karşılaşırlar.
Ön sıralardaki yuvalar neredeyse tükenmek üzere olduğundan, yarı iletken endüstrisi bu bölgeyi tükenme bölgesi olarak adlandırıyor.
PN bağlantısı, akımın yalnızca bir yönde akmasına izin veren, düzeltme adı verilen bir özelliğe sahiptir.
Bu bir kapı gibidir: Bir kişinin kapıyı bir yönde iterek açması kolaydır, ancak ters yönde itmeye çalışırsanız zordur. Elbette büyük bir güç kullanarak kapıyı kırılıncaya kadar şiddetli bir şekilde itebilirsiniz, bu işleme kavşağın bozulması adını veriyoruz.
Bir PN bağlantısının akım-gerilim özelliklerine bakıldığında eğri aşağıdaki şemada gösterildiği gibidir.
Bir PN bağlantısına ileri yönde bir eğilim uygulandığında, bu, çamurdaki ıstakozların gözlerinin bağlanmasına benzer. Istakozlar miyop olurlar ve yalnızca ön sıradaki yuvaları görebilirler. Sonuç olarak ıstakozların genel hareketi azalır ve yuvalara doğru sürünen ıstakoz sayısı da azalarak tükenme bölgesinin genişliği azalır.
Bir PN bağlantısına ters öngerilim uygulandığında, bu, ıstakozların teleskoplarını çamura sokmak gibidir. Istakozlar daha uzağı görebilir ve daha heyecanlı bir şekilde sürünebilir, bu da daha fazla ıstakozun yuva bulmasına yol açar. Sonuç olarak, ıstakozların genel hareketi artar ve yarı iletkenin tükenme bölgesinin genişliği genişler.
Aşağıdaki şekilde, (a) bir PN eklemindeki tükenme bölgesinin normal genişliğini temsil eder, (b) ileri yönde bir öngerilim uygulandıktan sonraki genişliği gösterir ve (c) bir ters öngerilim uygulandıktan sonraki genişliği gösterir.
Bipolar transistörün yapısı:
Aşağıdaki diyagram bir pnp bipolar transistörün perspektif görünümünü göstermektedir. Üretim süreci, p-tipi substrat üzerinde n-tipi bir bölge oluşturmak için termal difüzyon ilkesinden faydalanarak, substrat olarak p-tipi bir yarı iletken kullanılmasını içerir. Daha sonra bu n-tipi bölge üzerinde termal difüzyon yoluyla yüksek konsantrasyonlu p+ tipi bir bölge oluşur. Son olarak, omik kontaklar oluşturmak için p+, n ve alttaki p tipi bölgeleri kaplamak için metal kullanılır.
Pnp bipolar transistörü, iki pn bağlantısı oluşturan, farklı katkı konsantrasyonlarına sahip üç bölgeden oluşur. En yüksek konsantrasyonlu p+ bölgesine yayıcı denir (E ile gösterilir);
Orta derecede safsızlık konsantrasyonuna sahip orta düzey dar n-tipi bölgeye baz adı verilir (B ile gösterilir) ve baz bölgesinin genişliğinin, azınlık taşıyıcıların difüzyon uzunluğundan çok daha küçük olması gerekir;
P tipi konsantrasyonun en düşük olduğu bölgeye toplayıcı adı verilir (C ile gösterilir). Her bölge içindeki konsantrasyonların düzgün bir şekilde dağıldığını varsayarsak, pn bağlantısı kavramı doğrudan transistör içindeki bağlantı noktalarına uygulanabilir.
Aşağıdaki şema, çeşitli akım bileşenlerini ve voltaj polaritelerini gösteren bir pnp bipolar transistörün devre sembolünü göstermektedir. Oklar ve "+" ve "-" sembolleri, transistörün genel çalışma modunda (yani amplifikasyon modu, aktif mod) akımların yönlerini ve gerilimlerin polaritelerini temsil eder. Bu modda, yayıcı-taban bağlantısı ileri yönde öngerilimlidir (VEB > 0), kolektör-taban bağlantısı ise ters yönde öngerilimlidir (VCB < 0). Buna göre
Kirchhoff'un devre yasasına göre bu üç terminalli cihaz için yalnızca iki bağımsız akım vardır; herhangi iki akım biliniyorsa üçüncü terminal akımı belirlenebilir.
Kirchhoff'un devre yasasına göre bu üç terminalli cihaz için yalnızca iki bağımsız akım vardır; herhangi iki akım biliniyorsa üçüncü terminal akımı belirlenebilir.
Bir npn bipolar transistörün yapısı ve devre sembolü, bir pnp bipolar transistörünkileri tamamlayıcıdır. Aşağıdaki diyagram bir pnp transistörün ideal yapısını ve devre sembolünü göstermektedir.
Bir pnp bipolar transistörün yapısındaki p-tipi bölgelerin n-tipi bölgelerle ve n-tipi bölgenin bir p-tipi bölgeyle değiştirilmesi, bir npn bipolar transistörün yapısını verir. Bu nedenle akım yönü ve gerilim polaritesi de tersine çevrilir.
Pnp transistörünü anlayarak, npn transistörünü basitçe polariteyi ve katkı türlerini değiştirerek tanımlayabiliriz.
IV. Bipolar Transistör Amplifikasyon Modu
Diyagram (a), iki pn bağlantısının tükenme bölgelerini temsil eden gölgeli bölgeler ile üç terminalinin birbirine bağlandığı veya hepsinin toprağa bağlandığı termal dengede ideal pnp bipolar transistörü gösterir.
Diyagram (b), üç katkılı bölgedeki safsızlık konsantrasyonlarını göstermektedir; yayıcı bölge, toplayıcı bölgeden çok daha yüksek bir katkı konsantrasyonuna sahiptir ve baz bölgesi, yayıcı bölgeden daha düşük ancak toplayıcıdan daha yüksek bir konsantrasyona sahiptir.
Diyagram (c), tükenme bölgesindeki elektrik alanı dağılımını göstermektedir.
Diyagram (d), pn bağlantılarının termal denge durumunu genişleterek ve bunu iki bitişik bağlı p+ - n bağlantı noktasına ve n - p bağlantı noktasına uygulayarak transistörün enerji bant diyagramını gösterir.
Aşağıdaki şema, önceki çizimde gösterildiği gibi amplifikasyon modunda çalışan transistöre karşılık gelir.
Diyagram (a), bazın giriş ve çıkış devreleri arasında paylaşıldığı, ortak tabanlı bir konfigürasyon amplifikatörü olarak bağlanan transistörü göstermektedir.
(b) ve (c) diyagramları, önceki diyagramda gösterilen termal denge durumuyla karşılaştırıldığında öngerilim koşulları altında yük yoğunluğunu ve elektrik alan dağılımını göstermektedir. Verici-taban birleşimindeki tükenme bölgesinin genişliği daralırken, kolektör-taban birleşimindeki tükenme bölgesi genişliyor.
Diyagram (d), amplifikasyon modunda çalışan transistörün enerji bant diyagramını gösterir. Emitör-taban bağlantısı ileri yönde eğimlidir ve deliklerin p+ emitör bölgesinden baz bölgesine enjekte edilmesine ve elektronların baz bölgeden emitör bölgesine enjekte edilmesine neden olur.
İdeal bir diyotta tükenme bölgesinde üretim-rekombinasyon akımı bulunmadığından emitör bölgesinden baz bölgesine enjekte edilen delikler ve baz bölgesinden emitör bölgesine enjekte edilen elektronlar emitör akımını oluşturur.
Öte yandan, kolektör-taban bağlantısı ters yönlüdür ve ters doyma akımının akmasına izin verir. Taban bölgesi yeterince darsa, yayıcı bölgeden taban bölgesine enjekte edilen delikler, taban bölgesi boyunca yayılabilir ve toplayıcı-taban tükenme bölgesinin kenarına ulaşabilir ve sonunda toplayıcının eğilimi altında toplayıcı bölge boyunca akabilir. baz kavşağı.
Bu taşıma mekanizması, yük taşıyıcıları enjekte etmek için "yayıcı" ve bitişik bağlantıdan enjekte edilen taşıyıcıları toplamak için "toplayıcı" adlarının ortaya çıkmasına neden olur.
Enjekte edilen deliklerin çoğu taban bölgesindeki elektronlarla yeniden birleşmez ve toplayıcıya ulaşırsa deliklerden kaynaklanan kolektör akımı, yayıcı delik akımıyla yakından eşleşecektir.
Bitişik emitör-taban bağlantısından enjekte edilen deliklerin, ters taraflı kolektör-taban bağlantısında önemli bir akım üretebildiği ve bu, yalnızca bu iki bağlantı noktası birbirine yeterince yakın olduğunda ortaya çıkan transistörün amplifikasyon etkisine yol açtığı açıktır. dolayısıyla etkileşimli pn bağlantıları olarak anılır.
Tersine, eğer bu iki pn bağlantısı birbirinden çok uzaktaysa, gelen tüm delikler taban bölgesindeki elektronlarla yeniden birleşecek ve toplayıcı bölgeye ulaşamayacaktır, bu da transistörün amplifikasyon etkisine yol açmayacaktır. Bu durumda, pnp yapısı basitçe arka arkaya bağlı iki pn diyotu gibi davranır.
Akım kazancı: Aşağıdaki diyagram, amplifikasyon modunda çalışan ideal bir pnp transistöründeki çeşitli akım bileşenlerini göstermektedir. Tükenme bölgesinde üretim-rekombinasyon akımının olmadığı varsayıldığında, yayıcı bölgeden enjekte edilen delikler, baskın akım bileşeni IEp'yi oluşturur.
Gelen deliklerin çoğu toplayıcı elektrota ulaşacak ve ICp oluşturacaktır.
Tabanda üç akım vardır: IBB, IEn ve ICn.
IBB, gelen deliklerle yeniden birleşen, baz tarafından sağlanan elektronların akımını temsil eder (yani, IBB = IEp - ICp); IEn, baz bölgeden yayıcı bölgeye enjekte edilen elektronların akımını temsil eder; bu, yayıcının ağır katkılanmasıyla ya da heteroeklemler kullanılarak azaltılabilen istenmeyen bir akım bileşenidir; ICn, kollektör bölgesinden taban bölgesine doğru akan, termal etkilerden dolayı kolektör bağlantısı yakınında üretilen elektron akımını temsil eder.
Çalışma modları: Verici-taban bağlantısı ve toplayıcı-taban bağlantısındaki ön gerilimlere bağlı olarak, bipolar transistörlerin dört çalışma modu vardır.
Aşağıdaki diyagram bir pnp transistörün dört çalışma modunu ve bunların VEB ve VCB ile ilişkilerini göstermektedir. Azınlık taşıyıcılarının her çalışma modundaki dağılımı da şemada gösterilmiştir.
Örneğin, amplifikasyon modunda, yayıcı-taban bağlantısı ileri yönde öngerilimlidir ve toplayıcı-taban bağlantısı ters yönde öngerilimlidir.
Doygunluk modunda, transistörün her iki bağlantısı da ileriye doğru eğimlidir, bu da her iki bağlantı noktasının tükenme bölgelerinde azınlık taşıyıcılarının varlığına yol açar.
Doyma modunda, küçük bir voltaj, büyük bir çıkış akımına neden olabilir ve transistörü kısa devreye benzer bir iletken duruma sokar.
Kesme modunda, transistörün her iki bağlantısı da ters kutuplu olup, pn(0) = pn(W) = 0 sınır koşullarına yol açar. Kesme modundaki transistör, açık (veya kapalı) konumdaki bir anahtar olarak görülebilir. .
Tersine çevrilmiş modda, yayıcı-taban bağlantısı ters yönde öngerilimlidir ve kolektör-taban bağlantısı ileri yönde öngerilimlidir. Bu modda, toplayıcı elektrot yayıcı olarak görev yapar ve bunun tersi de geçerlidir. Bununla birlikte, ters çevrilmiş moddaki akım kazancı, baz bölgeye kıyasla toplayıcı bölgedeki daha düşük katkı konsantrasyonu nedeniyle tipik olarak amplifikasyon moduna göre daha küçüktür ve bu da daha düşük "emisyon verimliliği" ile sonuçlanır.
Geçici geçiş süreci: Dijital devrelerde transistörler esas olarak anahtar görevi görür. Küçük bir taban akımı kullanılarak, kollektör akımı çok kısa bir sürede hızlı bir şekilde kapalı durumdan açık duruma (ve tam tersi) değiştirilebilir. Kapalı durumda, yüksek voltaj ve düşük akım vardır, açık durumda ise düşük voltaj ve yüksek akım vardır.
Heteroeklem Bipolar Transistörler (HBT'ler)
Heteroeklemli Bipolar Transistörler (HBT'ler), bir veya her iki bağlantının farklı yarı iletken malzemelerden yapıldığı transistörleri ifade eder.
HBT'lerin temel avantajı yüksek emisyon verimliliğidir ve bipolar transistörlere benzer şekilde kullanılırlar. Ancak HBT'ler daha yüksek hıza sahiptir ve daha yüksek frekanslarda çalışabilirler. Bu özelliklerinden dolayı HBT'ler optoelektronik, mikrodalga ve dijital uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Mikrodalga uygulamalarında HBT'ler yaygın olarak katı hal mikrodalga ve milimetre dalga güç amplifikatörleri, osilatörler ve karıştırıcılar üretmek için kullanılır.
Temel HBT yapısı: Çoğu HBT teknolojisi AlxGa1-xAs/GaAs malzeme sisteminde geliştirilmiştir. Temel npn HBT yapısı, n-tipi emitör bölgesinde geniş bant aralıklı AlxGa1-xAs katmanından, p-tipi baz bölgesinde daha dar bant aralıklı GaAs katmanından ve hafif katkılı ve ağır katkılı n-tipi toplayıcı ve alt toplayıcı bölgelerden oluşur. Sırasıyla GaAs.
Ohmik bir kontak oluşturmak için, yayıcı kontak ile alüminyum galyum arsenit katmanı arasına yüksek katkılı n-tipi galyum arsenit katmanı eklenir. Verici ve baz bölgeleri arasındaki bant aralığı genişliğindeki önemli fark nedeniyle, ortak yayıcı akım kazancı önemli ölçüde artırılabilir. Bunun tersine, homojonksiyonlu bipolar transistörlerde böyle bir bant aralığı genişliği farkı yoktur ve bu nedenle emitör ve baz bölgeleri arasındaki katkı konsantrasyonu oranının önemli ölçüde arttırılması gerekir. Bu temel fark, homoeklemli bipolar transistörleri heteroeklemli bipolar transistörlerden ayırır.
Gelişmiş HBT'ler: Son yıllarda InP serisindeki malzemeler (InP/InGaAs veya AlInAs/InGaAs gibi) sistematik olarak araştırılmaktadır ve InP tabanlı heteroyapılar çok sayıda avantaj sunmaktadır. InP/InGaAs yapısı son derece düşük yüzey rekombinasyonu sergiler ve InGaAs'ın elektron hareketliliği GaAs'ınkinden çok daha yüksektir, bu da mükemmel yüksek frekans performansı sağlar.
Aşağıdaki grafik, kesme frekansı 254 GHz'e ulaşan tipik bir indiyum fosfit bazlı HBT'nin karakteristik eğrisini göstermektedir. Ek olarak InP, güçlü elektrik alanları altında GaAs'tan daha yüksek bir sürüklenme hızı sergiler ve ayrıca daha yüksek bir arıza voltajına sahiptir.
Başka bir heteroeklem türü, HBT uygulamaları için birçok çekici özellik sunan Si/SiGe malzeme sistemidir. AlGaAs/GaAs HBT'ye benzer şekilde Si/SiGe HBT de bant aralığı genişliği farkı nedeniyle yoğun şekilde doping yapma yeteneğinden faydalanarak yüksek hızlı performans sağlar.
Silikon arayüz tuzaklarının düşük yoğunluğu, yüzey rekombinasyon akımının azaltılmasına yardımcı olarak düşük toplayıcı akımlarında bile yüksek akım kazancı sağlar. Ek olarak, standart silikon işleme teknolojisiyle uyumluluk da son derece çekici bir özelliktir.
(a)'daki diyagram tipik bir Si/SiGe HBT yapısını gösterirken, (b) Si/SiGe HBT'nin kollektör akımını silikon homoeklemli bipolar transistörünkiyle karşılaştırır ve Si/SiGe HBT'nin daha yüksek akım kazancı sergilediğini gösterir. Galyum arsenit ve indiyum fosfit bazlı HBT'lerle karşılaştırıldığında Si/SiGe
HBT, silikonun düşük taşıyıcı hareketliliği nedeniyle daha düşük bir kesme frekansına sahiptir.
Bölüm VI: Tristör Cihazları ve İlgili Güç Cihazları
Tristör cihazları, yüksek voltajı ve yüksek akımı kontrol edebilen, cihazın kapalı veya bloke edilmiş durumdan açık veya iletken duruma (ve bunun tersi) geçişini sağlayan önemli güç bileşenleridir. Çalışmaları, hem elektronların hem de deliklerin iletimini içeren bipolar transistörlerle yakından ilgilidir.
Bununla birlikte, anahtarlama mekanizmaları ve yapıları bipolar transistörlerden farklıdır ve çok çeşitli akım ve voltaj kontrol yetenekleri sunar. Nominal akım birkaç miliamperden 5000A'nın üzerine kadar değişebilir ve nominal voltaj 10,000V'u aşar.
Bununla birlikte, anahtarlama mekanizmaları ve yapıları bipolar transistörlerden farklıdır ve çok çeşitli akım ve voltaj kontrol yetenekleri sunar. Nominal akım birkaç miliamperden 5000A'nın üzerine kadar değişebilir ve nominal voltaj 10,000V'u aşar.
Temel Özellikler: Aşağıdaki şema, J1, J2 ve J3 olmak üzere seri bağlı üç pn bağlantısından oluşan dört katmanlı bir pnpn yapısından oluşan bir tristör cihazının kesitini göstermektedir. Kontak elektroduna bağlanan en dıştaki p katmanına anot, diğer tarafın n katmanına ise katot adı verilir. Ek elektrotlar içermeyen bu yapı, iki terminalli bir cihazı temsil eder ve pnpn diyot olarak bilinir.
Kapı olarak bilinen başka bir elektrot iç p2 katmanına bağlanırsa ortaya çıkan üç terminalli cihaza yarı iletken kontrollü doğrultucu (SCR) veya tristör adı verilir.
(b)'deki diyagram, bir tristör cihazının tipik katkılama profilini göstermektedir. Başlangıç malzemesi (n-katman) olarak yüksek dirençli bir n-tipi silikon levha ile başlar ve bunu eş zamanlı olarak p1 ve p2 katmanlarını oluşturmak için bir difüzyon adımı takip eder. Son olarak, silikon levhanın bir tarafında n2 katmanını oluşturmak için alaşımlama veya difüzyon kullanılır.
Diyagram (c), termal dengede tristör cihazının enerji bant diyagramını göstermektedir. Her bağlantı noktasının bir tükenme katmanı vardır ve yerleşik potansiyel, katkı konsantrasyonuyla belirlenir.
Diyagram, güç hattından yüke iletilen gücü ayarlayabilen bir tristör cihazının basit bir uygulamasını göstermektedir. Yük, RL, örneğin bir ampul veya bir ısıtıcı olabilir. Her çevrimde yüke iletilen güç, tristör cihazının kapı akım darbesi tarafından kontrol edilir.
Eğer kapı akım darbesi her çevrimin başlangıcına yakın bir zamanda uygulanırsa yüke daha fazla güç aktarılacaktır. Tersine, geçit akım darbesinin geciktirilmesi, tristör cihazı çevrimin sonuna doğru iletilirken yüke iletilen gücün önemli ölçüde azalmasıyla sonuçlanacaktır.
Bipolar transistörlerle ilgili tüm bilgiler bu kadar.
İlgili Öneriler
粤公网安备44030002007346号