5.1. Структура биполярных транзисторов и принцип действия.

Рассмотрим структуру биполярных плоскостных транзисторов, у которых оба перехода — плоскостные. Упрощенные структуры плоскостных p-n-p и n-p-n типов показаны на рис.5.1.

Биполярный транзистор имеет области: эмиттер, база и коллектор – два p-n-перехода. Эмиттерный переход (на границе областей эмиттер-база) и коллекторный (на границе областей база-коллектор). Базовая область (база Б) – область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда. Эмиттерная область (эмиттер Э) – область, назначение которой – инжекция носителей в базовую область. Коллекторная область (коллектор К) предназначена для экстракции носителей из базовой области. Принцип работы транзисторов p-n-p и n-p-n-типов одинаков, но в транзисторе со структурой типа p-n-p основной ток, текущий через базу, создается дырками, инжектируемыми из эмиттера, а в транзисторах со структурой n-p-n-типа — электронами.

Рис.5.1. Схематическое изображение биполярного плоскостного транзистора и его условное изображение: а) p-n-p-типа; б) n-p-n-типа; в) распределение концентраций основных носителей заряда вдоль структуры транзистора в равновесном состоянии; W- толщина базы

На условных обозначениях эмиттер изображается в виде стрелки, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода (т.е. от «плюса» к «минусу»).

Если бы эмиттерный и коллекторный переходы находились на большом расстоянии друг от друга, т.е. толщина базы W была бы значительно больше диффузионной длины неосновных носителей в базе, то носители, инжектируемые эмиттером, не доходили бы до коллектора, т.к. рекомбинировали бы в базе. В этом случае каждый из переходов можно рассматривать в отдельности, не учитывая их взаимодействия, причем вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляла бы прямую ветвь характеристики диода, а коллекторного перехода — обратную ветвь.

Основная особенность биполярного транзистора заключается во взаимном влиянии переходов друг на друга. В биполярных плоскостных транзисторах для эффективного влияния эмиттерного перехода на коллекторный необходимо выполнение следующих требований:

1. Толщина базы транзистора W должна быть много меньше диффузионной длины инжектируемых в нее носителей Lб, т.е. W= 1,5 — 25 мкм < Lб.

2. Концентрация основных носителей в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей в области эмиттера.

3. Концентрация основных носителей в области коллектора должна быть несколько меньшей, чем в области эмиттера.

4. Площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода.

Все положения, рассмотренные ранее для одного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n-переходов транзистора. В отсутствие внешнего напряжения наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через p-n-переходы, и общие токи равны нулю.

Транзистор p-n-p-типа в активном режиме включения показан на рис. 5.1, а. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный — в обратном. При этом через эмиттерный переход должен протекать большой прямой ток IЭ, а через коллекторный переход – малый обратный ток коллектора.

Основные носители заряда в эмиттере – дырки – диффундируют из-за разности концентрации в базу, становясь там неосновными носителями. Процесс перехода носителей зарядов из эмиттера в базу называют инжекцией. По той же причине электроны из области базы диффундируют в область эмиттера, поэтому ток диффузии эмиттера имеет две составляющие – дырочную Iэp и электронную Iэn: Iэ= Iэp+ Iэn. Так как концентрация дырок в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, то дырочный ток Iэp преобладает над электронным током из базы Iэn, т.е. Iэp >> Iэn, поэтому можно принять, что ток базы для p-n-p-транзисторов Iб ≈ Iэp.

Физическая структура n-p-n интегрального транзистора со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

Преимущества полевых транзисторов перед биполярными. МОП-транзистор с индуцированным каналом

1. Структура транзистора и назначение областей.

На рис.1. показана структура транзистора. Следует обратить внимание на то, что коллектором транзистра является вся n-область эпитаксиальной пленки, а не только n+-область под коллекторным контактом, назначение эмиттерной диффузии под коллекторным контактом такое же, как и n+скрытого слоя, т.е. уменьшение последовательного омического сопротивления коллектора.

Рис. 1. Физическая структура n-p-n интегрального транзистора

со скрытым слоем и изоляцией p-n переходов.

2. Распределение доноров и акцепторов в структуре транзистора.

Рис.2. Профиль распределения примеси.

На рис. 2. показан профиль распределения примеси по глубине транзисторной структуры, соответствующий разрезу, сечению, посредине эмиттерного перехода.

Концентрация доноров, созданных эмиттерной диффузией, сменяется акцепторами базы на глубине . Далее на глубине залегания коллекторного перехода  концентрация акцепторов базы уменьшается до концентрации доноров в эпитаксиальной пленке коллектора.

3. Назначение скрытого слоя и  разделительной диффузии в интегральном транзисторе.

Скрытый слой выполняется для уменьшения омического сопротивления коллектора  и уменьшения напряжения на открытом транзисторе. Он  облегчает переход электронов от границы коллекторного перехода к выводу коллектору. Электронам оказывается выгоднее проходить по скрытому слою, там они встречают меньшее сопротивление.

Скрытый слой уменьшает коэффициент передачи дырок в подложку , инжектированные p-слоем базы дырки рекомбинируют с электронами n+ слоя и ток замыкается по цепи Б-К.

Разделительная диффузия (РД на рис.1) необходима для электрической изоляции друг от друга отдельных n – областей эпитаксиальной пленки коллектора. Между n – областями на поверхности образуется боковой n-p переход, который смещается в обратном направлении при подаче положительного напряжения на n – области соседних коллекторов . Ток утечки изолирующего n-p перехода не превышает 10E-9 А и обеспечивает достаточную электрическую развязку коллекторов транзисторов.

4.     Коэффициенты передачи тока нормальный , инверсный  и коэффициент передачи в подложку.

— это нормальный коэффициент передачи транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном (активный режим). Нормальный коэффициент передачи обеспечивает передачу электронов из эмиттера в коллектор в активном режиме.

— это инверсный коэффициент передачи транзистора, когда эмиттерный переход смещен в обратном направлении и коллекторный в прямом (инверсный режим).

 и передают электроны между эмиттером и коллектором,  в структуре интегрального транзистора образуется еще паразитный p-n-p транзистор (p- база, n- коллектор, p+- подложка, рис. 1),   — коэффициент передачи этого транзистора, он должен быть мал, чтобы уменьшить передачу дырочного тока в подложку в режиме насыщения и при инверсном включении транзистора.

6.     Как влияет глубина залегания эмиттерного перехода  на коэффициент передачи тока?

При увеличении глубины эмиттерного перехода уменьшается толщина базы (рис. 1). Электроны быстрее проходят базу, уменьшаются  потери на рекомбинацию, это увеличивает коэффициент передачи. При уменьшении глубины залегания эмиттерного перехода уменьшается эффективность эмиттера;  толщина базы увеличивается, и соответственно большая доля электронов рекомбинирует — коэффициент передачи уменьшается.            

7.     Чем отличаются ВАХ в схемах ОБ и ОЭ?

Основное различие входных ВАХ заключается в том, что в схеме с ОЭ входным током является базовый ток, в активном режиме он всегда меньше Iэ и Iк.

На выходных характеристиках в схеме  ОЭ на выходе включены два p-n перехода – Э и К, ток  режим насыщения целиком располагается в область положительных значений Uкэ, в то время как в схеме ОБ режим насыщения располагается в области отрицательных значениях Uбк.

Это объясняется тем, что в режиме насыщения коллекторный переход смещен в прямом направлении. В схеме с ОЭ: Uкэ = Uкб — Uбэ > 0, так как в режиме насыщения Uкб > 0, Uбэ > 0.Оба перехода смещены в прямом направлении и Uкэ представляет собой разность напряжений на двух прямо смещенных  n-p переходах, это напряжение близко к нулю.

В схеме ОБ на выходе включен только коллекторный переход. Ток коллектора обращается в нуль при прямом напряжении на коллекторе, примерно равном напряжению на эмиттере, рис. 3. 

Рис. 3. Эквивалентная схема транзистора.

8.     Почему ток коллектора не зависит от напряжения на коллекторе?

Электроны, инжектированные эмиттером и прошедшие сквозь базу, не тормозятся полем коллекторного перехода и беспрепятственно уходят в коллектор. Коллекторный ток почти полностью обусловлен током эмиттера и изменения обратного напряжения Uкб слабо влияют на ток коллектора. Большие обратные напряжения на коллекторе могут вызвать ударную ионизацию и умножение носителей заряда или уменьшить толщину базы из-за расширения ОПЗ коллектора, но это происходит уже при больших напряжениях на коллекторе, .

1. Преимущества полевых транзисторов перед биполярными.

1.Принцип действия: в биполярном транзисторе управление выходным током производится входным базовым или эмиттерным током, а в полевом транзисторе – входным напряжением на затворе.

2.Полевой транзистор имеет значительно большее входное сопротивление, чем биполярный. Это связано с обратным смещением p-n- перехода затвора на входе.

3.Полевой транзистор обладает низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации в переходах и базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы

NPN и транзисторы PNP

NPN и PNP — это два типа транзисторов. Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, изготовленные из легированных переходов p-типа и n-типа. В этой статье в основном представлены различия между этими двумя типами транзисторов, методы их различения и их применение.

Каталог

 

I. Различия

Transisto r состоит из трех частей. проводник, образующий два PN-перехода, а его композиционные формы — тип PNP и тип NPN. Большинство германиевых транзисторов относятся к типу PNP, а большинство кремниевых транзисторов относятся к типу NPN. Их структурные принципы одинаковы. Триод имеет три области и три электрода. Среди них базовая область (тонкий слой полупроводника в середине триода) ведет к базе b; есть области эмиттера, ведущие к эмиттеру e, и области коллектора, ведущие к коллектору c с обеих сторон. PN-соединение между передающей и базовой зонами называется передающим соединением, а PN-соединение между областью сбора и базовой областью называется собирающим соединением. На символе цепи стрелка эмиттера трубки PNP указывает внутрь, а стрелка эмиттера трубки NPN указывает наружу, указывая текущее направление.

NPN и PNP транзисторы в основном отличаются тем, что направление тока отличается от положительного и отрицательного напряжения. Говоря профессионально, это проблема «полярности». NPN использует ток BE (IB) для управления током CE (IC), полюс E имеет самый низкий потенциал, и обычно полюс C имеет самый высокий потенциал при обычном усилении, а именно VC>VB>VE. PNP использует ток EB (IB) для управления током EC (IC). Полюс Е имеет самый высокий потенциал, и обычно полюс С имеет самый низкий потенциал при нормальном усилении, то есть VC

Конфигурация схемы транзисторов NPN и PNP

1.  Разница в определениях

Транзистор NPN: состоит из двух N -полупроводники и один полупроводник P-типа, с P полупроводник типа N посередине и два полупроводника N-типа с обеих сторон. Триод — важнейшее устройство в электронных схемах, и его основная функция — усиление и коммутация тока.

Транзистор PNP: триод, состоящий из двух полупроводников P-типа, зажатых между полупроводником N-типа, поэтому он называется триодом PNP-типа. Его также можно описать как транзистор, в котором ток течет от эмиттера E.

2. Разница в управлении схемой

NPN: Используйте ток (IB) B→E для управления током (IC) С. Полюс Е имеет самый низкий потенциал, а полюс С — самый высокий потенциал при нормальном усилении, то есть VC > VB > VE

PNP: Используйте ток E&B (IB) для управления током E&C (IC). Полюс Е имеет самый высокий потенциал, а полюс С — самый низкий потенциал при нормальном усилении, то есть VC

3.  Другие отличия

Выходные состояния датчиков PNP и NPN различаются. Они фактически используют насыщение и отсечку транзистора для вывода двух состояний, которые являются датчиками переключающего типа. А вот выходной сигнал совершенно противоположный, а именно высокий уровень и низкий уровень. Выход NPN — низкий уровень 0, выход PNP — высокий уровень 1.

NPN-транзисторы и PNP-транзисторы различаются по структуре: NPN-транзисторы состоят из полупроводника p-типа, зажатого между двумя полупроводниками n-типа, а PNP-транзисторы состоят из полупроводника n-типа, зажатого между двумя полупроводниками p-типа.

Большинство носителей в транзисторах NPN представляют собой электроны, в то время как большинство носителей в транзисторах PNP представляют собой электронные дырки.

При использовании в качестве переключателей транзисторы NPN переключаются быстрее. Когда триод используется в качестве переключателя, он работает в двух состояниях: отсечка и насыщение. Как правило, проводимость и отключение транзистора управляются путем управления базовым напряжением Ub транзистора.

II. Методы различения NPN-транзисторов и PNP-транзисторов

1. Идентификация основания B

Установите цифровой мультиметр в положение диода, подключите красный щуп к определенному контакту и используйте черный щуп для коснитесь двух других контактов по очереди. Если оба отображаемых значения меньше 1 В или отображается символ переполнения «1», подключенный контакт, который подключается к красному тестовому проводу, является основанием B. Если в двух тестах одно отображаемое значение меньше 1 В, другое отображается символ переполнения «1», он указывает, что контакт, подключенный к красному тестовому проводу, не является основанием B. Затем вы должны заменить его на другие контакты и измерить их снова, пока не будет найдено основание B.

Затем используйте файл диодов цифрового мультиметра. После идентификации базы B в соответствии с описанной выше операцией подключите красный щуп к базе B и коснитесь двух других контактов черным щупом. Если оба показывают 0,500～0,800 В, тестируемая трубка относится к типу NPN; если оба раза отображается символ переполнения «1», это означает, что тестируемая пробирка относится к типу ПНП.

2.  Идентификационная база

С помощью мультиметра R×100 или R×1k измерьте значения прямого и обратного сопротивления между каждыми двумя из трех электродов трубки. Когда первый измерительный провод подключен к определенному электроду, а второй измерительный провод последовательно касается двух других электродов и измеряются значения низкого сопротивления, электрод, подключенный к первому измерительному проводу, является базой b. При этом обратите внимание на полярность щупа мультиметра. Если красный щуп подключен к базе b, а измеренное сопротивление черного щупа, подключенного к двум другим полюсам, мало, то проверяемая лампа может быть определена как PNP-транзистор; Если черный щуп подключен к базовому электроду b, а красный щуп подключен к двум другим электродам, а измеренное значение сопротивления мало, то тестируемый транзистор представляет собой NPN-транзистор, например 9.013, 9014, 9018.

Примечания

Используйте диодную шкалу цифрового мультиметра для измерения прямого падения напряжения на диоде. В настоящее время единицей измерения является мВ. Например, используйте этот файл для определения прямого падения напряжения на диоде 2AP3, а на дисплее отображается «352», что означает 352 мВ или 0,352 В (эта трубка — германиевая трубка). При обнаружении диода IN4007 с помощью этого механизма на прямом дисплее отображается «509», что означает, что прямое падение напряжения составляет 509 мВ или 0,509.V (эта трубка силиконовая). Диодный файл цифрового мультиметра также можно использовать для определения наличия короткого замыкания в цепи.

III. Применение

Существуют датчики типа PNP и NPN (тип переключателя), и они делятся на шесть категорий:

1. NPN-NO (нормально открытый тип)

2. NPN-NC (нормально закрытый тип) )

3. NPN-NC+NO (нормально открытый и нормально закрытый тип)

4. PNP-NO (нормально открытый тип)

5. PNP-NC (нормально закрытый тип)

6. PNP-NC+NO (нормально открытый и нормально закрытый тип)

Датчики PNP и NPN обычно имеют три подводящих провода, а именно линию питания VCC, Линия 0V и линия вывода сигнала OUT.

1. Тип PNP

При срабатывании сигнала линия вывода сигнала OUT подключается к линии питания VCC, а датчики типа PNP эквивалентны линии питания, которая выдает высокий уровень.

Для типа PNP-NO, когда сигнал не срабатывает, выходная линия приостанавливается, то есть линия питания VCC и линия OUT разъединяются. Когда сигнал срабатывает, выдается то же напряжение, что и на линии питания VCC, то есть линия OUT подключается к линии питания VCC, и выводится высокий уровень VCC.

Для типа PNP-NC, когда сигнал не срабатывает, посылается то же напряжение, что и по линии питания VCC, то есть линия OUT подключается к линии питания VCC, и выводится высокий уровень VCC. При срабатывании сигнала выходная линия приостанавливается, то есть линия питания VCC отключается от линии OUT.

Для типа PNP-NC+NO имеется дополнительная выходная линия OUT, которую можно выбрать в соответствии с потребностями.

2. Тип NPN

При срабатывании сигнала линия вывода сигнала OUT подключается к линии 0 В, а датчики типа PNP эквивалентны выходу низкого уровня 0 В.

Для типа NPN-NO, когда сигнал не срабатывает, выходная линия является плавающей, то есть линия 0v и линия OUT разъединены. При срабатывании сигнала выдается то же напряжение, что и 0В, то есть линия OUT подключается к линии 0В, а на выходе низкий уровень OV.

Для типа NPN-NC, когда сигнал не срабатывает, отправляется то же напряжение, что и на линии 0 В, то есть линия OUT подключается к линии 0 В, и выводится низкий уровень 0 В. При срабатывании сигнала выходная линия приостанавливается, то есть линия 0 В отключается от линии OUT.

Что такое транзистор NPN? — Определение, конструкция, работа и применение

Определение: NPN-транзистор представляет собой управляемую током схему , которая состоит из трех выводов: эмиттера, базы и коллектора. Он формируется путем прослоения слоя материала N-типа между двумя слоями материала P-типа. Он действует как источник тока , поскольку обеспечивает ток через базовый терминал. Транзистор NPN полностью противоположен транзистору PNP.

Транзистор NPN можно понимать как транзистор Отрицательный-Положительный-Отрицательный . Это связано с тем, что слой полупроводника N-типа состоит из электронов в качестве основного носителя. Поскольку NPN-транзистор состоит из эмиттера N-типа, то основными носителями заряда в NPN-транзисторе являются электроны.

Эти электроны при движении от перехода с низким сопротивлением, т.е. перехода эмиттер-база, к переходу, состоящему из области высокого сопротивления, т.е. переходу коллектор-база, создают ток.

NPN-транзистор предпочтительнее PNP-транзистора, поскольку подвижность электронов больше, чем подвижность дырок. В транзисторах NPN основными носителями являются электроны, а в транзисторах PNP основными носителями являются дырки. Таким образом, подвижность носителей заряда в NPN будет больше, чем в PNP.

Символ, используемый для обозначения NPN-транзистора в электронных схемах, показан на схеме ниже.

Конструкция

NPN-транзистор образован с помощью трех слоев, два из которых являются полупроводниковыми N-типа, а другой — полупроводниковыми P-типа. Часто говорят, что транзистор формируется путем соединения двух диодов встречно-параллельно. Но это не так, это просто для представления конструкции.

Если он сформирован путем соединения двух диодов встречно-параллельно, то полученная структура будет иметь четыре легированные области, так как каждый из диодов имеет 2 легированные области. В этом случае база, образованная встречным соединением, не будет иметь однородного легирования, что является необходимым условием для транзистора.

Таким образом, он всегда образован тремя слоями, у которых один слаболегированный, т.е. базовый, второй сильнолегированный, т.е. эмиттерный и последний коллекторный, умеренно легированный. База P-типа зажата между эмиттером и коллектором N-типа. Это приводит к образованию полупроводника N-типа.

Эмиттер и коллектор взаимозаменяемы?

Область эмиттера и коллектора не взаимозаменяемы, так как размер эмиттера меньше размера коллектора. Коллектор выполнен большего размера по сравнению с эмиттером, потому что, если размер коллектора большой, он будет собирать все больше и больше носителей заряда, и тепло также может легко рассеиваться через переход большей площади.

Рабочий

Переход база-эмиттер должен быть смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база должен быть смещен в обратном направлении. Следовательно, N-вывод перехода эмиттер-база соединен с отрицательным выводом V _BE, и P-клемма аккумулятора подключается к плюсовой клемме V _BE .

Для обратного смещения перехода коллектор-база клемма N подключается к положительной клемме V _CB , а клемма P подключается к отрицательной клемме аккумулятора V _CE . Это сделает широкий слой обеднения на переходе коллектор-база и узкий слой обеднения на переходе эмиттер-база.

Когда к переходу эмиттер-база приложено прямое смещение, электроны в N-области будут отталкиваться от отрицательной клеммы батареи и двигаться в сторону базы. Базовая область очень мала по сравнению с областью эмиттера и коллектора. Кроме того, интенсивность легирования основания самая низкая. Таким образом, он состоит из меньшего количества отверстий.

Из-за небольшого количества дырок в базовой области только несколько электронов будут рекомбинировать с дырками. Остальные электроны, которые еще не рекомбинировали, будут двигаться в сторону области коллектора. Это и будет ток в цепи. Размер коллектора велик, поэтому он может собирать больше носителей заряда и рассеивать тепло.

Ток в транзисторе NPN обусловлен электронами, поскольку электроны являются основными носителями заряда в транзисторе NPN.

Ток эмиттера в транзисторе NPN равен сумме токов базы и коллектора. Математически это можно записать как: —

Применение

Транзистор NPN может использоваться в качестве усилителя, переключателя, логарифмического преобразователя, датчика температуры и т. д. Это называется так, потому что проводимость в BJT происходит из-за биполярных элементов, то есть как отрицательных, так и положительных. Транзистор NPN представляет собой ток из-за частиц с отрицательным зарядом, а транзистор PNP представляет собой ток из-за дырок в качестве основных носителей заряда, которые несут положительный заряд.