принцип работы и как проверить

Существуют различные виды полупроводниковых приборов – тиристоры, триоды, они классифицируются по назначению и типу конструкции. Полупроводниковые биполярные транзисторы способны переносить одновременно заряды двух типов, в то время, как полевые только одного.

Конструкция и принцип работы

Ранее вместо транзисторов в электрических схемах использовались специальные малошумящие электронные лампы, но они были больших габаритов и работали за счет накаливания. Биполярный транзистор ГОСТ 18604.11-88 – это полупроводниковый электрический прибор, который является управляемым элементом и характеризуется трехслойной структурой, применяется для управления СВЧ. Может находиться в корпусе и без него. Они бывают p-n-p и n–p–n типа. В зависимости от порядка расположения слоев, базой может быть пластина p или n, на которую наплавляется определенный материал. За счет диффузии во время изготовления получается очень тонкий, но прочный слой покрытия.

Фото — мпринципиальные схемы включения

Чтобы определить, какой перед Вами транзистор, нужно найти стрелку эммитерного перехода. Если её направление идет в сторону базы, то структура pnp, если от неё – то npn. Некоторые полярные импортные аналоги (IGBT и прочие) могут иметь буквенное обозначение перехода. Помимо этого бывают еще биполярные комплементарные транзисторы. Это устройства, у которых одинаковые характеристики, но разные типы проводимости. Такая пара нашла применение в различных радиосхемах. Данную особенность нужно учитывать, если необходима замена отдельных элементов схемы.

Фото — конструкция

Область, которая находится в центре, называется базой, с двух сторон от неё располагаются эммитер и коллектор. База очень тонкая, зачастую её толщина не превышает пары 2 микрон. В теории существует такое понятие, как идеальный биполярный транзистор. Это модель, у которой расстояние между эммитерной и коллекторной областями одинаковое. Но, зачастую, эммиторный переход (область между базой и эммитером) в два раза больше коллекторного (участок между основой и коллектором).

Фото — виды биполярных триодов

По виду подключения и уровню пропускаемого питания, они делятся на:

1. Высокочастотные;
2. Низкочастотные.

По мощности на:

1. Маломощные;
2. Средней мощности;
3. Силовые (для управления необходим транзисторный драйвер).

Принцип работы биполярных транзисторов основан на том, что два срединных перехода расположены по отношению друг к другу в непосредственной близости. Это позволяет существенно усиливать проходящие через них электрические импульсы. Если приложить к разным участкам (областям) электрическую энергию разных потенциалов, то определенная область транзистора сместится. Этим они очень похожи на диоды.

Фото — пример

Например, при положительном открывается область p-n, а при отрицательном она закрывается. Главной особенностью действия транзисторов является то, что при смещении любой области база насыщается электронами или вакансиями (дырками), это позволяет снизить потенциал и увеличить проводимость элемента.

Существуют следующие ключевые виды работы:

1. Активный режим;
2. Отсечка;
3. Двойной или насыщения;
4. Инверсионный.

Перед тем, как определить режим работы в биполярных триодах, нужно разобраться, чем они отличаются друг от друга. Высоковольтные чаще всего работают в активном режиме (он же ключевой режим), здесь во время включения питания смещается переход эмиттера, а на коллекторном участке присутствует обратное напряжение. Инверсионный режим – это антипод активного, здесь все смещено прямо-пропорционально. Благодаря этому, электронные сигналы значительно усиливаются.

Во время отсечки исключены все типы напряжения, уровень тока транзистора сведен к нулю. В этом режиме размыкается транзисторный ключ или полевой триод с изолированным затвором, и устройство отключается. Есть еще также двойной режим или работа в насыщении, при таком виде работы транзистор не может выступать как усилитель. На основании такого принципа подключения работают схемы, где нужно не усиление сигналов, а размыкание и замыкание контактов.

Из-за разности уровней напряжения и тока в различных режимах, для их определения можно проверить биполярный транзистор мультиметром, так, например, в режиме усиления исправный транзистор n-p-n должен показывать изменение каскадов от 500 до 1200 Ом. Принцип измерения описан ниже.

Основное назначение транзисторов – это изменение определенных сигналов электрической сети в зависимости от показателей тока и напряжения. Их свойства позволяют управлять усилением посредством изменения частоты тока. Иными словами, это преобразователь сопротивления и усилитель сигналов. Используется в различной аудио- и видеоаппаратуре для управления маломощными потоками электроэнергии и в качестве УМЗЧ, трансформаторах, контроля двигателей станочного оборудования и т. д.

Видео: как работает биполярные транзисторы

Проверка

Самый простой способ измерить h31e мощных биполярных транзисторов – это прозвонить их мультиметром. Для открытия полупроводникового триода p-n-p подается отрицательное напряжение на базу. Для этого мультиметр переводится в режим омметра на -2000 Ом. Норма для колебания сопротивления от 500 до 1200 Ом.

Чтобы проверить другие участки, нужно на базу подать плюсовое сопротивление. При этой проверке индикатор должен показать большее сопротивление, в противном случае, триод неисправен.

Иногда выходные сигналы перебиваются резисторами, которые устанавливают для снижения сопротивления, но сейчас такая технология шунтирования редко используется. Для проверки характеристики сопротивления импульсных транзисторов n-p-n нужно подключать к базе плюс, а к выводам эммитера и коллектора — минус.

Технические характеристики и маркировка

Главными параметрами, по которым подбираются эти полупроводниковые элементы, является цоколевка и цветовая маркировка.

Фото — цоколевка маломощных биполярных триодовФото — цоколевка силовых

Также используется цветовая маркировка.

Фото — примеры цветовой маркировкиФото — таблица цветов

Многие отечественные современные транзисторы также обозначаются буквенным шифром, в который включается информация о группе (полевые, биполярные), типе (кремниевые и т. д.,) годе и месяце выпуска.

Фото — расшифровка

Основные свойства (параметры) триодов:

1. Коэффициент усиления по напряжению тока;
2. Входящее напряжение;
3. Составные частотные характеристики.

Для их выбора еще используются статические характеристики, которые включают сравнение входных и выходных ВАХ.

Необходимые параметры можно вычислить, если произвести расчет по основным характеристикам (распределение токов каскада, расчет ключевого режима). Коллекторный ток: Ik=(Ucc-Uкэнас)/Rн

• Ucc – напряжение сети;
• Uкэнас – насыщение;
• Rн – сопротивление сети.

Потери мощности при работе:

P=Ik*Uкэнас

Купить биполярные транзисторы SMD, IGBT и другие можно в любом электротехническом магазине. Их цена варьируется от нескольких центов до десятка долларов, в зависимости от назначения и характеристик.

Биполярные транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы. Название полупроводникового прибора транзистор образовано из двух слов : transfer – передача + resist – сопротивление. Потому что его действительно можно представить в виде некоторого сопротивления, которое будет регулироваться напряжением одного электрода. Первый работоспособный биполярный транзистор был изобретен в 1947 году. Материалом для его изготовления служил германий. А уже в 1956 году на свет появился кремниевый транзистор.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, который состоит из трех полупроводников с чередующимся типом примесной проводимости. К каждому слою подключен и выведен электрод. В биполярном транзисторе используются одновременно заряды, носители которых электроны (n – «negative») и дырки (p – «positive»), то есть носители двух типов, отсюда и образование приставки названия «би» – два.

Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей – электроны или дырки.

Долгое время транзисторы в основном были германиевыми, и имели структуру p-n-p, что объяснялось возможностями технологий того времени. Но параметры германиевых транзисторов были нестабильны, их самым большим недостатком следует считать низкую рабочую температуру, — не более 60…70 градусов Цельсия. При более высоких температурах транзисторы становились неуправляемыми, а затем и вовсе выходили из строя.

Со временем кремниевые транзисторы начали вытеснять германиевых собратьев. В настоящее время в основном они, кремниевые, и применяются, и в этом нет ничего удивительного. Ведь кремниевые транзисторы и диоды (практически все типы) сохраняют работоспособность до 150…170 градусов. Кремниевые транзисторы также являются «начинкой» всех интегральных микросхем.

Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет.

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке показано схематическое устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

По рабочей частоте транзисторы делятся на низкочастотные, – рабочая частота не свыше 3 МГц, среднечастотные – 3…30 МГц, высокочастотные – свыше 30 МГц. Если же рабочая частота превышает 300 МГц, то это уже сверхвысокочастотные транзисторы.

Вообще, в серьезных толстых справочниках приводится свыше 100 различных параметров транзисторов, что также говорит об огромном числе моделей. А количество современных транзисторов таково, что в полном объеме их уже невозможно поместить ни в один справочник. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками.

Существует множество транзисторных схем (достаточно вспомнить количество хотя бы бытовой аппаратуры) для усиления и преобразования электрических сигналов, но, при всем разнообразии, схемы эти состоят из отдельных каскадов, основой которых служат транзисторы. Для достижения необходимого усиления сигнала, приходится использовать несколько каскадов усиления, включенных последовательно. Чтобы понять, как работают усилительные каскады, надо более подробно познакомится со схемами включения транзисторов.

Сам по себе транзистор усилить ничего не сможет. Его усилительные свойства заключаются в том, что малые изменения входного сигнала (тока или напряжения) приводят к значительным изменениям напряжения или тока на выходе каскада за счет расходования энергии от внешнего источника. Именно это свойство широко используется в аналоговых схемах, – усилители, телевидение, радио, связь и т.д.

Если посмотреть на упрощенное представление транзистора в разрезе, то видно, что площадь p-n перехода коллектора больше чем у эмиттера.

База изготавливается из полупроводника со слабой проводимостью, то есть сопротивление материала велико. Обязательное условие – тонкий слой базы для возможности возникновения транзисторного эффекта. Так как площадь контакта p-n перехода у коллектора и эмиттера разные, то менять полярность подключения нельзя. Эта характерность относит транзистор к несимметричным устройствам.

Биполярный транзистор имеет две ВАХ (вольт амперные характеристики): входную и выходную.

Входная ВАХ – это зависимость тока базы (I_Б) от напряжения база-эмиттер (U_БЭ).

Выходная ВАХ – это зависимость тока коллектора (I_К) от напряжения коллектор-эмиттер (U_КЭ).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на n-p-n типе, для p-n-p аналогично, только рассматриваются не электроны, а дырки. Транзистор имеет два p-n перехода. В активном режиме работы один из них подключен с прямым смещением, а другой – обратным. Когда переход ЭБ открыт, то электроны с эмиттера легко перемещаются в базу (происходит рекомбинация). Но, как говорилось ранее, слой базы тонкий и проводимость ее мала, поэтому часть электронов успевает переместиться к переходу база-коллектор. Электрическое поле помогает преодолеть (усиливает) барьер перехода слоев, так как электроны здесь неосновные носители. При увеличении тока базы, переход эмиттер-база откроется больше и с эмиттера в коллектор сможет проскочить больше электронов. Ток коллектора пропорционален току базы и при малом изменении последнего (управляющий), коллекторный ток значительно меняется. Именно так происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.

Принцип действия транзистора можно представить на примере работы водопроводного крана. Представьте себе, что КЭ – это водопроводная труба, а Б – кран, с помощью которого Вы можете управлять потоком воды. То есть, чем больше ток вы подадите на базу, тем больше получите на выходе.

Значение коллекторного тока почти равно току эмиттера, исключая потери при рекомбинации в базе, которая и образовывает ток базы, таким образом справедлива формула:

I_Э=I_Б+I_К

Основные параметры транзистора:

Коэффициент усиления по току – отношение действующего значения коллективного тока к току базы.

Входное сопротивление – следуя закону Ома оно будет равно отношению напряжения эмиттер-база U_ЭБ к управляющему току I_Б.

Коэффициент усиления напряжения – параметр находится отношением выходного напряжения U_ЭК к входному U_БЭ.

Для подключения транзистора нам доступны только его три вывода (электрода). По этому для его нормальной работы требуются два источника питания. Один электрод транзистора будет подключаться к двум источникам одновременно. Следовательно, существуют 3 схемы подключения биполярного транзистора: ОЭ – с общим эмиттером, ОБ – общей базой, ОК – общим коллектором. Каждая обладает своими преимуществами, и недостатками, в зависимости от области применения и требуемых характеристик осуществляют выбор того или иного подключения.

Схема включения с общим эмиттером (ОЭ) характеризуется наибольшим усилением тока и напряжения, соответственно и мощности.

При данном подключении происходит смещение выходного переменного напряжения на 180 электрических градусов относительно входного. Основной недостаток – это низкая частотная характеристика, то есть малое значение граничной частоты, что не дает возможность использовать при высокочастотном входном сигнале.

Схема включения с общей базой (ОБ) обеспечивает отличную частотную характеристику.

Но не дает такого большого усиления сигнала по напряжению как с ОЭ. А усиление по току не происходит совсем, поэтому данную схему часто называют токовый повторитель, потому что она имеет свойство стабилизации тока.

Схема с общим коллектором (ОК) имеет практически такое же усиление по току как и с ОЭ, а вот усиление по напряжению почти равно 1 (чуть меньше).

Смещение напряжения не характерно для данной схемы подключения. Ее еще называют эмиттерный повторитель, так как напряжение на выходе (U_ЭБ) соответствуют входному напряжению.

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко — на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ — коллектором. Соответственно переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э — эмиттер; Б — база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой — дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер — база U_ЭБ), а на коллекторном переходе — обратное (напряжение коллектор — база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный — обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ — U_БЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным — в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК — U_БК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} — инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_эрек — составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

. (3.4)

Коэффициент инжекции g _Э «тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р} << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколько порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок — неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение c _Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами — основными носителями базовой области. Ток I_Брек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток I_Брек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c _Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диффузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c _Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор — база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (I_К — I_КБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно I_КБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a ) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

— статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (I_К — I_КБО) к управляемой части базового тока (I_Б + I_КБО). Действительно, используя (3.14), получаем

.

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обращаются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО это значение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обрыве” базы. При I_Б = 0

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях параметра U_КБ — напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обратном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор — база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (обратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = a I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a . Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рисунке 3.5,б не соблюден масштаб).

3.2.2. Схема с общим эмиттером

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_Б = f(U_БЭ), причем параметром является напряжение U_КЭ (рисунок 3.6,а). Для p-n-p транзистора отрицательное напряжение U_БЭ (U_БЭ < 0) означает прямое включение эмиттерного перехода, так как U_ЭБ = -U_БЭ > 0. Если при этом U_КЭ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении: U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_ЭБ > 0. Поэтому входная характеристика при U_КЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_ЭБ, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_КБ = U_ЭБ) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток.

а)	б)
Рисунок 3.6

Вторая характеристика на рисунке 3.6,а (U_{КЭ á} 0) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_КЭ должно быть в p-n-p транзисторе отрицательным и по модулю превышать напряжение U_ЭБ. В этом случае (U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ = U_КЭ — U_БЭ < 0. Формально ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения (3.14) или (3.17): I_Б =(1 — a )I_Э — I_КБО. При малом напряжении U_БЭ инжекция носителей практически отсутствует (I_Э = 0) и ток

I_Б = -I_КБО, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе U_ЭБ = -U_БЭ вызывает рост I_Э и величины (1 — a ) I_Э. Когда (1 — a ) I_Э = I_КБО, ток I_Б = 0. При дальнейшем роете U_БЭ (1 — a ) I_Э > I_КБО и I_Б меняет направление и становится положительным (I_Б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_КЭ на I_Б в НАР можно объяснить тем, что рост |U_КЭ| означает рост |U_КБ| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_К = f(U_КЭ) при заданном параметре I_Б (рисунок 3.6,б).

Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном — к нормальному активному режиму. Переход от первого режима ко второму, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_КЭ|, превышающих |U_БЭ|. На характеристиках в качестве параметра берется не напряжение U_БЭ, а входной ток I_Б. Поэтому о включении эмиттерного перехода приходится судить по значению тока I_Б, который связан с входной характеристикой на рисунке 3.6,а. Для увеличения I_Б необходимо увеличивать |U_БЭ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_Б = 0 (“обрыв” базы), то в соответствии с (3.22) I_К = I_КЭО = (b + 1 ) I_КБО. В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I = I_КБО, если задать отрицательный ток I_Б = -I_КБО. Выходная характеристика с параметром I_Б = -I_КБО может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_Б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h_22Э » b h_22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. В схеме с общим эмиттером увеличение U_КЭ, а следовательно и U_КБ сопровождается уменьшением тока базы, а он по определению выходной характеристики должен быть неизменным. Для восстановления тока базы приходится регулировкой напряжения U_БЭ увеличивать ток эмиттера, а это вызывает прирост тока коллектора D I_К, т.е. увеличение выходной проводимости (в схеме с ОБ ток I_Э при снятии выходной характеристики поддерживается неизменным).

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

Влияние температуры на положение входной характеристики схемы с ОБ при поддержании неизменным ее параметра аналогично ее влиянию на ВАХ полупроводникового диода. В нормальном активном режиме ток эмиттерного перехода можно представить формулой

.

С ростом температуры тепловой ток I_ЭО растет быстрее, чем убывает экспонента из-за увеличения j _Т = kT/q. В результате противоположного влияния двух факторов входные характеристики схемы с ОБ смещаются влево при выбранном токе I_Э на величину D U » (1…2) мВ/°С (рисунок 3.7,а).

Начало входной характеристики в схеме с ОЭ определяется тепловым током коллекторного перехода I_КБО который сильно зависит от температуры, так что начало характеристики при увеличении температуры опускается (рисунок 3.7, б).

а)	б)
Рисунок 3.7

Влияние температуры на выходные характеристики схем с ОБ и ОЭ в НАР удобно анализировать по формулам (3.11) и (3.22):

и .

Снятие выходных характеристик при различных температурах должно проводиться при поддержании постоянства параметров (I_Э = const в схеме с ОБ и I_Б = const в схеме с ОЭ). Поэтому в схеме с ОБ при I_Э = const рост I_К будет определяться только увеличением I_КБО (рисунок 3.8, а).

а)	б)
Рисунок 3.8

Однако обычно I_КБО значительно меньше a I_Э, изменение I_К составляет доли процента и его можно не учитывать.

В схеме с ОЭ положение иное. Здесь параметром является I_Б и его надо поддерживать неизменным при изменении температуры. Будем считать в первом приближении, что коэффициент передачи b не зависит от температуры. Постоянство b I_Б означает, что температурная зависимость I_К будет определяться слагаемым (b + 1)I_КБО. Ток I_КБО (как тепловой ток перехода) примерно удваивается при увеличении температуры на 10°С, и при b >> 1 прирост тока (b + 1)I_КБО может оказаться сравнимым с исходным значением коллекторного тока и даже превысить его.

На рисунке 3.8,б показано большое смещение выходных характеристик вверх. Сильное влияние температуры на выходные характеристики в схеме с ОЭ может привести к потере работоспособности конкретных устройств, если не принять схемотехнические меры для стабилизации тока или термостатирование.

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

Статические характеристики и их семейства наглядно связывают постоянные токи электродов с постоянными напряжениями на них. Однако часто возникает задача установить количественные связи между небольшими изменениями (дифференциалами) этих величин от их исходных значений. Эти связи характеризуют коэффициентами пропорциональности -дифференциальными параметрами.

Рассмотрим процедуру введения дифференциальных параметров БТ на примере наиболее распространенных h-параметров, приводимых в справочниках по транзисторам. Для введения этой системы параметров в качестве независимых переменных при описании статического режима берут входной ток I_ВХ (I_Э или I_Б) и выходное напряжение U_ВЫХ (U_KБ или (U_КЭ):

U₁= f (I₁,U₂) (3.23)

I₂= f (I₁,U₂)

В этом случае полные дифференциалы

(3.24)

Частные производные в выражениях (3.24) и являются дифференциальными h-napaметрами, т.е.

dU₁=h₁₁ d I₁ +h₁₂ dU₂ (3.25)

dI₂=h₂₁ dI₁ + h₂₂ dU₂

(h₁₁ -входное сопротивление, h₁₂ -коэффициент обратной передачи, h₂₁ -коэффициент передачи входного тока и h₂₂ -выходная проводимость). Названия и обозначения этих параметров взяты из теории четырехполюсников для переменного тока.

Приращения статических величин в нашем случае имитируют переменные токи и напряжения.

Для схемы с общей базой

dU_ЭБ=h_11Б d I_Э +h_12Б dU_КБ (3.26)

dI_К=h_21Б dI_Э + h_22Б dU_КБ

Эти уравнения устанавливают и способ нахождения по статическим характеристикам, и метод измерения h-параметров. Полагая dU_КБ = 0, т.е. U_КБ = const, можно найти h_11Б и h_21Б, а считая dI_Э = 0, т. е. I_Э = const. определить h_12Б и h_22Б.

Аналогично для схемы с общим эмиттером можно переписать (3.26) в виде

dU_БЭ=h_11Э d I_Б +h_12Э dU_КЭ (3.27)

dI_К=h_21Э dI_Б + h_22Э dU_КЭ

Связь h-параметров со статическими характеристиками схем с ОБ и ОЭ и их определение по ним рассмотрены в.

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный характер и в которых отсутствуют непосредственная связь с физической структурой транзистора. Например, эквивалентная схема для системы Н-параметров приведена на рисунке.

Рисунок 3.9

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физическими параметрами, которые опираются на нелинейную динамическую модель Эберса — Молла, т.е. тесно связаны с физической структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной динамической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме того, в усилительных схемах используется либо нормальный активный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недопустим. Поэтому при переходе к малосигнальной схеме можно ограничиться рассмотрением наиболее распространенного нормального активного режима, так как результаты легко перенести и на инверсный активный режим. В этом случае можно исключить генератор тока и малосигнальную модель БТ для схемы включения с ОБ изобразить, как на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10

Поясним смысл элементов модели. Резистор R_Э представляет дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. В первом приближении его можно определить по формуле для идеализированного р-n перехода:

R_Э=dU/dI» j _T/I_Э, (3.28)

где I_Э— постоянная составляющая тока эмиттера. Так как при комнатной температуре j _т = 0,026 В, то при I_Э = 1 мА R_Э = 26 Ом.

Величина R_К называется дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода. Оно обусловлено эффектом Эрли и может быть определено по наклону выходной характеристики:

. (3.29)

Величина R_К обратно пропорциональна значению параметра h_22Б. Дифференциальное сопротивление коллектора может составлять сотни килоом и мегаомы, тем не менее его следует учитывать.

Реактивные элементы модели (Сэ, Ск) оказались теперь присоединенными параллельно резисторам R_Э и R_К. Сопротивление базы r½ _ББ, которое может превышать сотни ом, всегда остается в модели.

r½ _ББ=h₁₂/h₂₂ . (3.30)

Приведенная эквивалентная малосигнальная модель БТ формально относится к схеме включения с ОБ. Однако она применима и для схемы с ОЭ. Для этого достаточно поменять местами плечи этой схемы, называемой Т-образной схемой с физическими параметрами. Электрод “Б” следует изобразить входным, а “Э” — общим, как показано на рисунке 3.11.

Рисунок 3.11

Значения всех элементов остаются прежними. Однако при таком изображении появляется некоторое неудобство, связанное с тем, что зависимый генератор тока в коллекторной цепи выражается не через входной ток (ток базы). Этот недостаток легко устранить преобразованием схемы к виду, изображенному на рисунке 3.11. Чтобы обе схемы были равноценными четырехполюсниками, они должны иметь одинаковые параметры в режимах холостого хода и короткого замыкания. Это требует перехода от тока H_21БI_Э к току Н_21ЭI_Б и замены R_К и C_К на R_К^* и C_К^* соответственно. Связи этих величин определяются формулами

R_К^*=Н_21БR_К/ Н_21Э=R_К /( Н_21Э+1) , ( 3.31 )

С_К*= С_К( Н_21Э+1) . ( 3.32 )

Легко убедиться, что R_К^* характеризует наклон выходной характеристики (эффект Эрли) в схеме с ОЭ и связан с выходной проводимостью в этой схеме соотношением (5.43). Во сколько раз уменьшается R_К^* по сравнению с R_К, во столько же раз возрастает емкость С_K^* по сравнению с С_K, т.е. R_KC_K =R_K^*C_K^*.

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

Частотные свойства определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты. Для биполярных транзисторов используется зависимость от частоты коэффициента передачи входного тока в схемах ОБ и ОЭ Н_21Б и Н_21Э. Обычно рассматривается нормальный активный режим при малых амплитудах сигнала в схемах включения с ОБ и ОЭ.

В динамическом режиме вместо приращения токов необходимо брать комплексные амплитуды, поэтому и коэффициенты передачи заменяются комплексными (частотно зависимыми) величинами: Н_21Б и Н_21Э.

Величины Н_21Б и Н_21Э могут быть найдены двумя способами:

• решением дифференциальных уравнений физических процессов и определением из них токов;

• анализом Т-образной эквивалентной схемы по законам теории электрических цепей.

Во втором случае Н_21Б и Н_21Э будут выражены через величины электрических элементов схемы. Мы проведем анализ частотных свойств коэффициентов передачи, используя Т-образную линейную модель (эквивалентную схему) n-р-n транзистора (рисунки 3.10 и 3.11).

На частотные свойства БТ влияют С_Э, С_К и r½ _ББ, а также время пролета носителей через базу t _Б.

Нет надобности рассматривать влияние на частотные свойства транзистора каждого элемента в отдельности. Совместно все эти факторы влияют на коэффициент передачи тока эмиттера Н_21Б, который становится комплексным, следующим образом:

_, (3.33 )

где Н_21Б0— коэффициент передачи тока эмиттера на низкой частоте, f — текущая частота, f_Н21Б— предельная частота. Модуль коэффициента передачи тока эмиттера равен

( 3.34 ).

Не трудно заметить, что модуль коэффициента передачи ½ Н_21Б½ на предельной частоте f_Н21Б снижается в раз. Сдвиг по фазе между входным и выходным токами определяется формулой

. ( 3.35 )

Для схемы с ОЭ известно соотношение

( 3.36 ).

Подставляя (3.33) в (3.36) получим

(3.37),

где . Модуль коэффициента передачи тока базы будет равен

(3.38).

Как видно, частотные свойства БТ в схеме ОЭ значительно уступают транзистору, включенному по схеме с ОБ.

Граничная частота f_ГР — это такая частота, на которой модуль коэффициента передачи ½ Н_21Э½ =1. В итоге получим, что f_ГР» f_Н21Э× Н_21Э0.

Транзистор можно использовать в качестве генератора или усилителя только в том случае, если его коэффициент усиления по мощности К_P> 1. Поэтому обобщающим частотным параметром является максимальная частота генерирования или максимальная частота усиления по мощности, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице. Связь этой частоты с высокочастотными параметрами определяется выражением

, ( 3.39 ).

где f_Н21Б — предельная частота в мегагерцах; r¹_ББ — объемное сопротивление в омах; C_К — емкость коллекторного перехода в пикофарадах; f_МАКС — в мегагерцах.

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

Рассмотренное выше позволяет сделать следующие выводы. Для улучшения частотных свойств (повышение предельной частоты) рекомендуется следующее.

1. Уменьшать время пролета инжектированных носителей в базовой области, т.е.

а) уменьшать ширину базовой области W_Б; б) создавать n-р-n транзисторы, так как подвижность электронов выше, чем у дырок, примерно в 2 раза; в) использовать германиевые БТ, так как в германии подвижность носителей выше. Еще большие возможности открывает использование арсенида галлия.

2. Создавать ускоряющее поле в базовой области для инжектированных из эмиттера носителей. Последнее возникает при неравномерном распределении примесей в базе по направлению от эмиттера к коллектору (рис. 5.31,б). Концентрацию около эмиттера делают примерно в 100 раз больше, чем около коллектора.

Рисунок 3.12

Появление поля объясняется просто. Так как концентрация основных носителей в любой точке базы (дырок n-р-n транзистора) приблизительно равна концентрации примесей в этой точке, то распределение примесей N_a(х) одновременно будет и распределением дырок p(х). Под влиянием градиента концентрации дырок будет происходить их диффузионное движение к коллектору, приводящее к нарушению условия электрической нейтральности: около эмиттера будет избыток отрицательного заряда ионов акцепторов, а около коллектора — избыток положительного заряда дырок, которые приходят к коллекторному переходу, но не проходят через него.

Нарушение электрической нейтральности приводит к появлению внутреннего электрического поля в базовой области (минус у эмиттера, плюс у коллектора). Появляющееся поле, в свою очередь, вызовет встречное дрейфовое движение дырок. Нарастание поля и дрейфового потока будет происходить до того момента, когда дрейфовый и диффузионный токи дырок уравняются. Легко видеть, что установившееся (равновесное) значение поля будет ускоряющим для электронов, которые входят в рабочем режиме из эмиттера в базу и будут уменьшать их время пролета, т.е. повышать предельную частоту БТ.

Биполярные транзисторы с неравномерным распределением примесей в базе, приводящим к появлению ускоряющего поля, называются дрейфовыми, а обычные — бездрейфовыми. Практически все современные высокочастотные и сверхвысокочастотные БТ являются дрейфовыми.

Уменьшение времени пролета в базовой области n-р-n транзистора при экспоненциальном законе убывания концентрации акцепторов от N_а(0) до N_а(W_Б) учитывается коэффициентом неоднородности базы:

h =0,5ln[ N_А(0)/N_А(W_Б)]

Поэтому можно написать

Для бездрейфовых транзисторовh =0 , а типичные значения для дрейфовых транзисторов .

3. Уменьшать барьерные емкости эмиттерного и коллекторного переходов путем уменьшения сечения областей транзистора и увеличения ширины переходов (выбором концентрации примесей и рабочего напряжения).

4. Уменьшать омическое сопротивление областей базы r½ _ББ.

5. Уменьшать время пролета носителей в области коллекторного перехода.

Следует отметить, что ряд требований несовместимы и необходимо при создании транзисторов применять компромиссные решения.

3.7. Работа транзистора в усилительном режиме

При работе транзистора в различных радиотехнических устройствах в его входную цепь поступают сигналы, например переменные напряжения. Под действием входного переменного напряжения изменяются входной и выходной токи транзистора.

Для выделения полезного сигнала в выходную цепь транзистора включают элементы нагрузки. В простейшем случае нагрузкой может служить резистор R_к. На резисторе нагрузки за счет прохождения выходного тока выделяется, кроме постоянного, переменное напряжение. Амплитуда этого напряжения зависит от амплитуды переменной составляющей выходного тока и сопротивления резистора R_к и может быть больше входного напряжения. Процесс усиления сигнала удобно рассмотреть на примере простейших усилителей.

Простейшая схема усилителя на транзисторе, включенном по схеме с ОЭ, показана на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13

Коллекторная цепь состоит из резистора R_к и источника Е_к, а цепь базы — из источников тока I_Б0 и I_Бm Источник I_Б0 обеспечивает положение исходной рабочей точке на участке характеристик с наименьшей нелинейностью. Источник I_Бm— источник сигнала. В качестве выходного используется переменное напряжение, выделяемое на резисторе нагрузки R_к (на коллекторе транзистора).

Работа такого усилителя поясняется временными диаграммами токов и напряжений, изображенными на рис. 3..

При I_Бm =0 токи базы и коллектора будут определяться токами в рабочей точке (I_{Б 0,} I_{К 0})и напряжением на коллекторе U_К0= Е_К-I_{К0 ×} R_к

Рисунок 3.14

Во время положительного полупериода входного тока (рис. 3.14.,а) прямое напряжение эмиттерного перехода увеличивается, что вызывает рост тока коллектора (рис. 3.14,б) и уменьшение напряжения U_КЭ за счет увеличения падения напряжения на сопротивлении коллектора (рисунок 3.14,в). Если работа происходит на линейных участках характеристик транзистора, то формы переменных составляющих токов базы и коллектора совпадают с формой входного напряжения, а переменное напряжение на коллекторе, обусловленной переменной составляющей коллекторного тока, оказывается сдвинутым относительно входного напряжения на 180⁰. При соответствующем выборе сопротивления нагрузки R_к амплитуда переменного напряжения на выходе такого усилителя U_mвых=I_КmR_к может значительно превышать амплитуду входного напряжения.

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

Если транзистор работает в режиме усиления импульсных сигналов малой амплитуды, то такой режим работы в принципе не отличается от линейного усиления малых синусоидальных сигналов. Импульс в этом случае может быть представлен в виде суммы ряда гармонических составляющих. Зная частотные свойства транзистора, можно определить искажения формы импульсов, возникающие при усилении.

Схема импульсного усилителя не отличается от схемы усилителя гармонических сигналов (рисунок 3.13).

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

Биполярный транзистор широко используется в электронных устройствах в качестве ключа — функцией которого является замыкание и размыкание электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое — в выключенном, биполярный транзистор достаточно полно удовлетворяет требованиям, предъявляемым к ключевым элементам.

Схема транзисторного ключа показана на рисунке 3.15. Во входной цепи действуют источник смещения Е_БЭ, создающий обратное напряжение на эмиттерном переходе, источник управляющих импульсов прямого напряжения U_ВХ и ограничительный резистор R_Б. Обычно R_{Б> >} Н_11Э. В выходной цепи включены сопротивление нагрузки R_К и источник питания Е_КЭ.

Рисунок 3.15

Когда нет импульса на входе, транзистор находится в режиме отсечки и ток коллектора практически отсутствует I_К» I_КБ0 (точка А на выходных характеристиках (рисунок 3.16,б). Напряжение на выходе транзистора u_КЭ= Е_КЭ-I_К× R_К » Е_КЭ.

При подаче на вход транзистора импульсов прямого тока i_Б=(U_ВХ— E_БЭ)/R_Б=I_{Б НАС}, транзистор открывается, рабочая точка перемещается в точку Б (режим насыщения) и напряжение на коллекторе падает до значения u_КЭ= Е_КЭ-I_{К НАС,} R_К=U_{КЭ ОСТ}. При дальнейшем увеличении тока базы ток коллектора не увеличивается (рисунок 3.16,а) и напряжение на коллекторе не изменяется (рисунок 3.16,б).

а)	б)
Рисунок 3.16

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

При практическом использовании транзистора большое значение имеет скорость переключения, обуславливающая быстродействие аппаратуры. Скорость переключения определяется процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и коллекторе транзистора, эмиттерном и коллекторном переходах.

В эмиттерном и коллекторном переходах находятся нескомпенсированные заряды неподвижных ионизированных атомов примеси — доноров и акцепторов; неравновесный заряд отсечки в базе можно считать равным нулю.

При переходе к режиму насыщения эмиттерный переход открывается, толщина перехода и его нескомпенсированный заряд уменьшаются, происходит как бы разряд ёмкости эмиттерного перехода. В следствии понижения напряжения на коллекторе, уменьшается его толщина и заряд в нем, т.е. происходит разряд ёмкости коллекторного перехода, открывается коллекторный переход и в области базы за счет инжекции электронов из эмиттерного и коллекторного переходах накапливается большой неравновесный заряд насыщения. В транзисторах, имеющих высокоомный коллектор носители заряда инжектируют и в область коллектора, где так же накапливается неравновесный заряд.

Графики напряжений и токов транзистора при переключении даны на рисунке 3.17. На базу транзистора подается прямоугольный импульс напряжения U_ВХ-E_БЭ (рисунок 3.17,а).

График входного тока показан на рисунке 3.17,б. Величина импульса прямого тока базы I_{Б ПР} определяется в основном сопротивлением ограничительного резистора R_Б.

После переключения эмиттерного перехода на обратное направление ток перехода, как и в диоде, имеет первоначально большую величину, ограниченную лишь сопротивлением R_Б: I_{Б ОБР}= E_Б/ R_Б, так как сопротивление эмиттерного перехода в первый момент после переключения очень мало вследствие насыщения базы неравновесными носителями заряда (рисунок 3.17,г).

При прямоугольной форме импульса входного тока импульс выходного тока i_К (рисунок 3.17,в) появляется с задержкой t_З, которая определяется главным образом скоростью нарастания напряжения эмиттерного перехода, зависящей от величин ёмкости перехода и прямого тока базы, т.е. скоростью разряда эмиттерного перехода.

После того как транзистор перейдет из режима отсечки в активный режим, коллекторный ток начинает постепенно нарастать, достигая установившегося значения а время t_н. Это время определяется скоростью накопления неравновесного заряда в базе и скоростью разряда емкости коллектора. Таким образом, полное время включения транзистора состоит из времени задержки и времени нарастания:

.

Практически оно может иметь величину от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд в зависимости от параметров транзистора.

После подачи в цепь базы запирающего тока I_{Б ОБР}=E_БЭ/R_Б выходной коллекторный ток прекращается не сразу. На протяжении некоторого времени рассасывания t_p он практически сохраняет свою величину, так как концентрация носителей заряда в базе у коллекторного перехода еще остается выше равновесной и коллекторный переход благодаря этому оказывается открытым.

Лишь после того как неравновесный заряд у коллекторного перехода рассосется за счет ухода электронов из базы и рекомбинации, ток коллектора начинает постепенно спадать, достигая время спада t_С установившегося значения I_KЭ0. В течении этого времени продолжается рассасывание неравновесного заряда базы и происходит перезаряд емкости коллекторного перехода. Заметим, что эмиттерный переход при этом может закрыться раньше или позже коллекторного в зависимости от скорости рассасывания неравновесного заряда, сосредоточенного поблизости от него.

Процесс накопления и рассасывания неравновесного заряда q_Б при переключении транзистора поясняется на рисунке 3.17,г. Накопление неравновесного заряда в базе начинается спустя время задержки t_з, и заряд за время нарастания t_н достигает установившегося значения q_Б=Q_акт. Далее вследствие падения коллекторного напряжения до величины U_{КЭ ОСТ<} U_БЭ коллекторный переход открывается и начинает инжектировать неравновесные носители заряда в базу. Заряд базы снова возрастает, достигая к концу входного импульса значения q_Б=Q_нас. После переключения напряжения эмиттерного перехода на обратное происходит рассасывание неравновесного заряда базы, за время t_Р+t_С он достигает нулевого значения.

Усилители на биполярных транзисторах

5.5.  Усилители на биполярных транзисторах

 

 В усилителях на биполярных транзисторах используется три схемы подключения транзистора:  с общей базой (рис. 5.6; 5.9), с общим эмиттером (рис. 5.7; 5.10), с общим коллектором (рис. 5.8; 5.11).

На рисунках 5.6-5.8 показаны схемы включения транзисторов с питанием входных и выходных цепей от отдельных источников питания, а на рисунках 5.9-5.11 – с питанием входных и выходных цепей транзистора от одного источника постоянного напряжения.

 Усилители в схеме включения транзистора с общей базой характеризуются усилением по напряжению, отсутствием усиления по току, малым входным сопротивлением и большим выходным сопротивлением.

Усилители в схеме включения транзистора с общим коллектором характеризуются усилением по току, отсутствием усиления по напряжению, большим входным сопротивлением и малым выходным сопротивлением.

Наибольшее распространение получила схема включения с общим эмиттером. В схеме включения транзистора с общим эмиттером усилитель обеспечивает усиление по напряжению, по току, по мощности. Такой усилитель имеет средние значения входного и выходного сопротивления по сравнению со схемами включения с общей базой и общим коллектором.

Сравнительные характеристики усилителей приведены в таблице:

 

Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
коэффициент усиления по току	Десятки-сотни	Немного меньше единицы	Десятки-сотни
коэффициент усиления по напряжению	Десятки-сотни	Десятки-сотни	Немного меньше единицы
коэффициент усиления по мощности	Сотни- десятки тысяч	Десятки-сотни	Десятки-сотни
Входное сопротивление	Сотни ом – единицы килоом	Единицы- десятки ом	Десятки – сотни килоом
Выходное сопротивление	Единицы – десятки килоом	Сотни килоом – единицы мегаом	Сотни ом – единицы килоом

 

Параметры транзистора в значительной степени зависят от температуры. Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению рабочего режима транзистора в простой схеме усилителя при включении транзистора с общим эмиттером (рис. 5.2 б). Такая простая схема усилителя используется очень редко. Для стабилизации режима работы транзистора при изменении температуры используют схемы коллекторной (рис. 5.12, 5.13) и эмиттерной (рис. 5.14, 5.15) стабилизации режима работы транзистора.

Коллекторная температурная стабилизация режима работы транзистора по схеме рисунка 5.12 используется редко, так как кроме температурной стабилизации происходит уменьшение коэффициента усиления за счет отрицательной обратной связи по переменному току. Устранить отрицательную обратную связь по переменному току позволяет конденсатор С1 в схеме, приведенной на рисунке 5.13. Такая стабилизация используется, например, в антенных усилителях для телевизионного приема.

Как в промышленных, так и в радиолюбительских конструкциях широко применяется эмиттерная температурная стабилизация режима работы транзистора. На рисунках 5.14 и 5.15 приведены схемы однокаскадных усилителей на биполярных транзисторах n-p-n и p-n-p типов с эмиттерной температурной стабилизацией режима работы транзистора.

Проследим цепи, по которым протекают постоянные токи в усилителе по схеме рисунка 5.14. Постоянный ток делителя напряжения протекает по цепи: плюс источника питания, резисторы R1, R2, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT1, резистор R_э, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_К, выводы коллектор-эмиттер транзистора, резистор R_э, минус источника питания. Биполярный транзистор в составе усилителя работает в режиме, когда переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном. Поэтому постоянное напряжение на резисторе R2 будет равно сумме напряжения на переходе база-эмиттер транзистора VT1 и напряжения на резисторе R_э:  U_R2=U_бэ+U_Rэ. Отсюда следует, что постоянное напряжение на переходе база-эмиттер будет равно  U_бэ= U_R2 — U_Rэ.

Пусть температура окружающей среды увеличивается. В результате этого увеличиваются постоянные токи базы, коллектора и эмиттера, т.е. изменяется рабочая точка транзистора. Ток делителя напряжения на резисторах R1, R2 выбирают значительно больше тока базы транзистора.  Поэтому напряжение на резисторе R2 при изменении температуры остается практически неизменным (сопротивление резистора от температуры не зависит), а напряжение на резисторе R_э с увеличением температуры увеличивается за счет увеличения тока эмиттера при неизменном сопротивлении резистора в цепи эмиттера. В результате этого напряжение база-эмиттер уменьшится, что приведет к уменьшению тока базы, а, следовательно, и силы тока коллектора. Таким образом, рабочая точка транзистора будет стремиться к исходному состоянию. Наличие резистора в цепи эмиттера приводит к появлению отрицательной обратной связи как по постоянному, так и по переменному токам. Для устранения отрицательной обратной связи по переменному току параллельно резистору R_э подключают конденсатор. Емкость конденсатора С_э выбирают так, чтобы его сопротивление переменному току на самой низкой частоте усиливаемого сигнала было значительно (примерно в десять раз) меньше сопротивления резистора в цепи эмиттера.

В усилителях низкой частоты на биполярных транзисторах применяются разделительные конденсаторы большой емкости. Это, как правило, электролитические конденсаторы, при подключении которых в электрическую цепь необходимо соблюдать полярность. Если источник усиливаемого сигнала не имеет постоянной составляющей и к выходу усилителя подключается нагрузка, не имеющая постоянного напряжения на своих зажимах, то полярность конденсаторов при использовании транзисторов n-р-n типа должна быть такой, как показано на рисунке 5.14, а для транзистора р-n-р типа — на рисунке 5.15 (изменяется полярность включения источника питания и полярность подключения конденсаторов). Емкость разделительного конденсатора (конденсатор на выходе усилительного каскада) выбирают такой, чтобы его сопротивление было много меньше входного сопротивления следующего усилительного каскада, или много меньше сопротивления нагрузки на самой низкой частоте усиливаемого сигнала.

В последнее время широко применяются двухкаскадные усилители с непосредственной связью между транзисторами (рис. 5.16). Такие усилители применяются в качестве входных усилителей низкой частоты, в качестве антенных усилителей телевизионного сигнала и др. В этих усилителях обеспечивается температурная стабилизация режима обоих транзисторов. Рассмотрим цепи, по которым протекают постоянные токи. Постоянный ток базы транзистора VT1 протекает по следующим цепям: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания; плюс источника питания, резистор R_к, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор  R2,

переход база-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток базы транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, переход база-эмиттер транзистора VT2, резистор R_э, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R1, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT1, общий провод, минус источника питания. Постоянный ток коллектора транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника питания, резистор R_к, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор R_э, общий провод, минус источника питания.

При увеличении температуры увеличивается ток базы первого транзистора. Это приведет к увеличению тока коллектора этого транзистора и уменьшению напряжения между коллектором первого транзистора и общим проводом. В результате уменьшится ток базы второго транзистора, что приведет к уменьшению тока коллектора второго транзистора. Напряжение на резисторе Rэ уменьшится, и ток базы первого транзистора будет стремиться к своему первоначальному значению.

Входные цепи чувствительного усилителя низкой частоты обязательно выполняются экранированным проводом, причем экран соединяется с корпусом усилителя в одной точке. От выбора этой точки зависит уровень мешающих напряжений.

Обозначения схем биполярного транзистора

»Примечания по электронике

Обозначения схем для различных форм биполярных транзисторов: NPN, PNP, Дарлингтона, светочувствительный транзистор или фототранзистор. .

---

Цепи, схемы и символы Включает:
Обзор условных обозначений цепей Резисторы Конденсаторы Индукторы, катушки, дроссели и трансформаторы Диоды Биполярные транзисторы Полевые транзисторы Провода, переключатели и соединители Блоки аналоговых и функциональных схем Логика

---

Для биполярных транзисторов не так много условных обозначений схем.Конечно, существуют разные символы схем для обозначения транзисторов NPN и PNP.

В дополнение к этому, некоторые символы схем транзисторов имеют кружок вокруг них, а другие нет. Те, у которых нет, широко используются в схемах, детализирующих внутреннюю схему ИС, поскольку легче включить несколько эмиттеров и другие варианты базового транзистора, если круг не включен.

Другие обозначения схем биполярных транзисторов включают обозначения фототранзисторов, транзисторов Дарлингтона и т. Д.

Обозначения цепи биполярного транзистора
Описание транзистора	Обозначение цепи
Транзистор биполярный NPN
Транзистор биполярный PNP
Транзистор биполярный NPN с маркированными электродами.
Биполярный NPN-транзистор без внешнего круга
Фототранзистор биполярный NPN
Биполярный фототранзистор NPN без подключения к базе
Фототранзистор биполярный NPN
NPN фотодарлингтон
Обозначение схемы транзисторной оптопары

Предыдущая страница Следущая страница

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

Глава 8: Транзисторы [Analog Devices Wiki]

В этой главе мы рассмотрим наши первые активные устройства.

8.1 Основные принципы

Активное устройство — это компонент любого типа, способный электрически управлять потоком тока (управлять одним электрическим сигналом другим электрическим сигналом). Чтобы схему можно было назвать электронной, она должна содержать хотя бы одно активное устройство.Все активные устройства контролируют прохождение тока через них. Один тип активного устройства использует напряжение для управления током, в то время как другой тип активных устройств использует другой ток в качестве управляющего сигнала. Устройства, использующие напряжение в качестве управляющего сигнала, неудивительно, называются устройствами, управляемыми напряжением. Устройства, работающие по принципу контроля одного тока другим током, известны как устройства с регулируемым током. Первым успешно продемонстрированным типом транзисторов стало устройство с регулируемым током.

В качестве примечания: происхождение термина «транзистор» — это сокращение от «варистор крутизны», поскольку предложенный Bell Telephone Laboratories. Иногда это ошибочно приписывают сокращению трансрезистентности.

Простой и общий вид такого устройства показан на рисунке 8.1.1. Имеет три терминала; назовем их пока X, Y и Z. Предположим также, что управляемый ток течет на клемму X и выводит ее обратно на клемму Y. Третья клемма Z — это клемма управления.Чтобы описать функцию этого блока, нам сначала нужно определить токи на клеммах IX _{, IY и IZ , и напряжения на клеммах VXY и VZY , как показано на рисунке. Поскольку ток течет на клемму X, мы обычно предполагаем, что напряжение на клемме X больше, чем на клемме Y, а напряжение VXY является положительным числом. То же самое можно сказать о напряжении, наблюдаемом на выводе Z относительно вывода Y, и о напряжении VZY является положительным числом.}

Рисунок 8.1.1 Общая модель

В случае устройства, управляемого током, предположим, что управляющий ток IZ, _{протекает на клемму Z и выводит обратно на клемму Y. Сохранение заряда говорит нам, что сумма токов, протекающих в коробку, должна равняться сумме текущие токи. Таким образом, IY = IX + IZ . Чтобы сделать устройство полезным, было бы желательно, чтобы управляющий ток IZ был очень мал по сравнению с гораздо большим управляемым током IX .Отношение IX к IZ является коэффициентом усиления устройства, и для обозначения этого коэффициента используется греческая буква β (бета). Отношение IX к IY , которое всегда меньше единицы, также является мерой усиления устройства и чаще всего обозначается греческой буквой α (альфа).}

Для устройства, управляемого напряжением, предположим, как мы делали раньше, что ток течет на клемму X и выходит на клемму Y. Напряжение на клемме Z теперь управляет величиной тока на клеммах X и Y.Это напряжение теперь необходимо привязать к одной из двух других клемм, и мы будем использовать клемму Y для наших целей. Кроме того, поскольку в этом случае управляющим сигналом является напряжение, мы будем предполагать, что ток не течет на клемму Z (или не выходит из нее). Сравнивая это с устройством, управляемым током, мы можем сказать, что α = 1 и β бесконечно. Отношение выходного тока к управляющему напряжению, выраженное в амперах / вольт, является размерной проводимостью, и для обозначения проводимости чаще всего используется буква g .Этот параметр транзистора называется крутизной, и обычно используется gm .

Мы также можем описать дополнительные устройства, изменив направление токов на обратное, так что теперь управляемый ток течет из клеммы X в клемму Y, как показано на рисунке 8.1.2. Поскольку направление тока теперь меняется на противоположное, мы обычно предполагаем, что напряжение на Y больше, чем на клемме X, а напряжение VXY является отрицательным числом. То же самое можно сказать о напряжении, наблюдаемом на выводе Z относительно вывода Y, и о напряжении VZY является отрицательным числом.В случае с управлением по току мы также меняем направление управляющего тока I _Z , который теперь вытекает из клеммы Z.

Рисунок 8.1.2 Дополнительная модель

Подводя итог, мы описали четыре типа активных устройств, источник тока, управляемый положительным током, и его дополнительную отрицательную форму, а также источник тока, управляемый положительным напряжением, и его дополнительную отрицательную форму.

8.1.1 Характеристики простой модели

Теперь мы рассмотрим передаточные характеристики этих простых моделей транзисторов и то, как их можно модифицировать или расширять, чтобы сделать их более реалистичными.Сначала мы рассмотрим характеристики выходного тока в зависимости от выходного напряжения простого (идеального) источника тока, управляемого напряжением, при ступенчатом изменении напряжения на управляющем входе. Результаты для управляемого источника с крутизной 1 мА / В показаны на рисунке 8.1.3, поскольку В _XY изменяется от 0 до 5 В, а управляющее напряжение В _ZY ступенчато. с шагом 0,4 В от 0,1 В до 2,1 В . Идеальный источник тока с регулируемым током должен иметь по существу те же характеристики, за исключением того, что каждая горизонтальная линия будет представлять другой управляющий ток (на клемме Z), а не другое управляющее напряжение.

Рисунок 8.1.3 Характеристики источника тока с идеальным управлением напряжением (или током)

Из этих характеристических кривых мы можем узнать следующее; Во-первых, ток действительно не зависит от напряжения на клеммах X и Y. Во-вторых, ток I _XY равен 1 мА на вольт, приложенный к клемме Z по отношению к клемме X (рисунок 8.1.1). Однако очевидна одна вещь, которая не может произойти в реальном устройстве, и это то, что I _XY имеет значение, отличное от нуля, когда напряжение V _XY равно нулю.Это означает, что устройство содержит источник энергии, и мы знаем, что это невозможно. В противном случае у нас было бы решение мирового энергетического кризиса. Более реалистичный набор характеристик больше похож на показанный на рисунке 8.1.4.

Кривые, подобные приведенным на рисунке 8.1.4, имеют больше физического смысла, но все же обладают некоторыми свойствами, которых не могут иметь реальные устройства. На графике видны резкие изломы кривых, где наклонная линия, проходящая через начало координат, пересекает горизонтальную линию при постоянном контролируемом значении тока.Этот переход никогда не может быть таким резким и должен каким-то образом плавно переходить от одной линии к другой.

Еще одним свойством этих простых кривых является идеально горизонтальный характер линий тока и напряжения. Реальное устройство покажет некоторое изменение, обычно увеличение из-за конечного реального сопротивления, с напряжением на X и Y.

Рисунок 8.1.4 Ток VCCS должен быть равен нулю, когда В _XY = 0

Более полная сложная математическая модель реального физического транзистора показана на рисунке 8.1.5. Мы рассмотрим эту более полную модель в следующих разделах этой главы.

Рисунок 8.1.5 Сложная математическая модель устройства

8.2 Обозначения транзисторов

Этим базовым моделям активных устройств соответствуют четыре типа транзисторов. Их схематические символы показаны на рисунке 8.2.1. Управляемым током устройством n-типа является биполярный транзистор NPN (BJT). Устройство с управлением током p-типа — это PNP BJT.Устройство n-типа, управляемое напряжением, представляет собой NMOS FET (металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор). И, наконец, управляемое напряжением устройство p-типа — PMOS FET. Вместо того, чтобы давать клеммам устройства общие имена, такие как X, Y и Z, установленное соглашение для BJT — коллектор и эмиттер для клемм источника тока и база для клеммы управления током. Точно так же условное обозначение для MOS-устройства — сток и источник для клемм источника тока и затвор для клеммы управления напряжением,

Рисунок 8.2.1 символы транзисторов

Примечание. Если читатель не занимается производством устройства, обычно менее важно понимать внутреннюю работу транзисторов. Описания, которые можно получить, углубляясь в внутренние свойства, не особенно подходят для схемотехники и могут быть трудными для полного понимания. Скорее для анализа и проектирования схем обычно достаточно понять внешние свойства транзисторов, рассматривая их более или менее как черный ящик. Добавление некоторого обсуждения тонкостей, которые возникают из-за физики, происходящей внутри черного ящика, конечно, необходимо для надежного проектирования схем.

8.3 Основные сведения о биполярных переходных транзисторах

Транзистор с биполярным переходом (BJT) представляет собой электронное устройство с тремя выводами, построенное из легированного полупроводникового материала, и может использоваться в приложениях для усиления или переключения. Биполярные транзисторы названы так потому, что в их работе участвуют как электроны, так и дырки. Поток заряда в BJT возникает из-за двунаправленной диффузии носителей заряда через соединение между двумя областями с разной концентрацией заряда. По своей конструкции большая часть тока коллектора БЮТ обусловлена ​​потоком зарядов, вводимых от эмиттера с высокой концентрацией в базу, где они являются неосновными носителями, которые диффундируют к коллектору, и поэтому БЮТ классифицируются как устройства с неосновными носителями. в отличие от транзисторов с большинством носителей, таких как полевые транзисторы, в которых только основные носители участвуют в протекании тока из-за дрейфа.

Типичное поперечное сечение планарного NPN-транзистора показано на рисунке 8.3.1. NPN-транзистор можно рассматривать как два диода с PN-переходом с очень тонким общим анодом, P-слоем. При типичной работе переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор — в обратном направлении. В NPN-транзисторе, например, когда положительное напряжение прикладывается к переходу база-эмиттер, равновесие между термически генерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области становится несбалансированным, позволяя термически возбужденным электронам инжектироваться в базовую область.Эти электроны блуждают (или «диффундируют») через очень тонкую базу из области высокой концентрации рядом с эмиттером в сторону области низкой концентрации возле коллектора. Электроны в базе называются неосновными носителями, потому что база легирована p-типом, что делает дырки основными носителями в базе.

Рисунок 8.3.1 Поперечное сечение планарного NPN-транзистора

Чтобы свести к минимуму процент носителей, которые рекомбинируют перед достижением слоя истощения коллекторно-базового перехода, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать по ней за гораздо меньшее время, чем время жизни неосновных носителей полупроводника.В частности, толщина основания должна быть намного меньше диффузионной длины электронов. Коллектор-база-переход имеет обратное смещение, поэтому инжекция электронов от коллектора к базе происходит незначительно, но электроны, которые диффундируют через базу к коллектору, уносятся в коллектор электрическим полем в обедненной области коллектор-база. соединение. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектор-эмиттер — это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов с противоположным смещением, установленных последовательно.

8.3.1 Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектора-эмиттера можно рассматривать как управляемый током база-эмиттер (управление током) или напряжением база-эмиттер (управление напряжением). Эти представления связаны между собой соотношением тока и напряжения в переходе база-эмиттер, которое представляет собой обычную экспоненциальную кривую вольт-амперной характеристики PN-перехода (диода).

Физическое объяснение тока коллектора — это количество заряда неосновных носителей заряда в базовой области.

Подробные модели действия транзисторов, такие как модель Гаммеля-Пуна, явно объясняют распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. Представление управления зарядом легко обрабатывает фототранзисторы, где неосновные носители в базовой области создаются за счет поглощения фотонов, и управляет динамикой выключения или временем восстановления, которое зависит от заряда в рекомбинации базовой области. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, видимым на клеммах, при проектировании и анализе схем обычно используются режимы управления током и напряжением.

При проектировании аналоговых схем иногда используется представление управления током, поскольку оно приблизительно линейно. То есть ток коллектора примерно? _F умноженный на базовый ток. Некоторые базовые схемы могут быть спроектированы, исходя из предположения, что напряжение эмиттер-база приблизительно постоянное, а ток коллектора в бета умножен на ток базы. Однако для точного и надежного проектирования надежных цепей BJT чаще используется модель управления напряжением (например, Ebers-Moll).Модель управления напряжением требует учета экспоненциальной функции. Следующее уравнение для тока коллектора I _C показывает экспоненциальную зависимость от V _BE .

Достаточно стандартный транзистор, работающий при токе около 100 мкА, может иметь В _BE около 650 мВ при комнатной температуре, где q / kT составляет около 0,039 / мВ (или тепловое напряжение kT / q составляет 25 мВ). Экспоненциальный множитель в уравнении будет порядка 10 ¹¹ .В этом случае мы можем безопасно опустить член -1 в уравнении без серьезной ошибки. Взяв натуральный логарифм, мы получим уравнение для V _BE .

Когда эта экспонента линеаризуется так, что транзистор может быть смоделирован как крутизна, как в модели Эберса-Молла, проектирование таких схем, как усилители, снова становится в основном линейной проблемой, поэтому часто предпочтительнее рассматривать управление напряжением. Для транслинейных схем, в которых экспоненциальная кривая I- В является ключевой для работы, транзисторы обычно моделируются как управляемые по напряжению с крутизной, пропорциональной току коллектора.Как правило, проектирование схем на уровне транзисторов выполняется с использованием SPICE или аналогичного имитатора аналоговых схем, поэтому математическая сложность модели обычно не имеет большого значения для разработчика.

8.3.2 Транзистор альфа и бета

Доля электронов, способных пересечь базу и достигнуть коллектора, является мерой эффективности BJT. Асимметричное сильное легирование эмиттерной области и легкое легирование базовой области вызывает инжекцию гораздо большего количества электронов из эмиттера в базу, чем дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.Общий эмиттер — ток усиление представлено как ß _F или h _fe и является приблизительно отношением постоянного тока коллектора к постоянному току базы в прямой активной области. Обычно оно больше 100 для малосигнальных транзисторов, но может быть меньше для транзисторов, предназначенных для мощных приложений. Другой важный параметр — коэффициент усиления по току общей базы, _F . Коэффициент усиления по току с общей базой приблизительно равен коэффициенту усиления по току от эмиттера к коллектору в прямой активной области.Это отношение обычно имеет значение, близкое к единице; между 0,98 и 0,998. Альфа и бета более точно связаны следующими тождествами (транзистор NPN):

Биполярный транзистор состоит из трех областей полупроводника с различным легированием: области эмиттера, области базы и области коллектора. Этими областями являются, соответственно, тип p , тип n и тип p в PNP и тип n , тип p и тип n в транзисторе NPN.Каждая полупроводниковая область подключена к клемме, обозначенной соответствующим образом: эмиттер (E), база (B) и коллектор (C).

База физически расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена ​​из слегка легированного материала с высоким сопротивлением. Коллектор окружает эмиттерную и базовую области (рисунок 8.3.1), что делает практически невозможным выход электронов, инжектированных в базовую область из эмиттерной области, что делает результирующее значение очень близким к единице, и поэтому , придавая транзистору большую ß.Вид в разрезе BJT, рисунок 8.3.1, показывает, что переход коллектор-база имеет гораздо большую площадь, чем переход эмиттер-база.

Биполярный переходной транзистор, в отличие от полевого МОП-транзистора, который мы вскоре подробно обсудим, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что перестановка коллектора и эмиттера заставляет транзистор выйти из прямого активного режима и начать работать в так называемом обратном активном режиме.

Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для работы в прямом режиме, перестановка коллектора и эмиттера делает значения a и ß при работе в обратном направлении намного меньше, чем при работе в прямом направлении; часто а обратного режима ниже 0.5. Отсутствие симметрии в первую очередь связано с относительными степенями легирования эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирован, а коллектор слегка легирован, что позволяет приложить большое обратное напряжение смещения до того, как разомкнется переход коллектор-база. Коллектор-база при нормальной работе имеет обратное смещение. Причина, по которой эмиттер сильно легирован, состоит в том, чтобы увеличить эффективность инжекции эмиттера: отношение носителей, введенных эмиттером, к тем, которые введены базой.Для высокого усиления по току большая часть носителей, вводимых в переход эмиттер-база, должна исходить от эмиттера.

Низкопроизводительные «боковые» биполярные транзисторы, которые иногда используются в процессах CMOS, иногда проектируются симметрично, то есть без разницы между прямым и обратным режимом работы, рисунок 8.3.2. Однако, поскольку ширина основания часто намного больше, чем у вертикальной конструкции на рисунке 8.3.1, ß и а не так высоки. Метод компоновки для повышения эффективности сбора состоит в том, чтобы полностью окружить эмиттерную область со всех четырех сторон кольцевой или кольцевой областью коллектора.Конечно, эта структура больше не симметрична.

Рисунок 8.3.2 Боковое сечение NPN

Небольшие изменения напряжения, приложенного к клеммам база-эмиттер, приводят к значительному изменению тока, протекающего между эмиттером и коллектором. Этот эффект можно использовать для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока с управлением по напряжению, но их проще охарактеризовать как источники тока с регулируемым током или усилители тока из-за относительно низкого импеданса, наблюдаемого на базе.

Ранние транзисторы были сделаны из германия, но большинство современных BJT сделаны из кремния. Устройства специального назначения также изготавливаются из полупроводниковых соединений элементов III- V , таких как арсенид галлия, особенно для приложений с очень высокими частотами.

8.3.3 НПН

NPN — это один из двух типов биполярных транзисторов, в которых буквы «N» (отрицательный) и «P» (положительный) относятся к основным носителям заряда внутри различных областей транзистора.Производимые сегодня биполярные транзисторы с лучшими характеристиками — это NPN-транзисторы, потому что подвижность электронов выше подвижности дырок в полупроводниках, что обеспечивает большие токи и более быструю работу.

Транзисторы NPN состоят из слоя полупроводника с примесью фосфора («основа»), помещенного между двумя слоями с примесью азота. Небольшой ток, поступающий в базу в режиме общего эмиттера, усиливается на выходе коллектора. Другими словами, NPN-транзистор включен, когда его база поднята высоко относительно эмиттера.Стрелка в символе транзистора NPN находится на плече эмиттера и указывает направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном рабочем режиме.

Одно мнемоническое устройство для идентификации символа для NPN-транзистора: « n ot p ointing i n , или« n ot p ointing, n ointing »

8.3.4 PNP

Другой тип BJT — это PNP с буквами «P» и «N», обозначающими основные носители заряда внутри различных областей транзистора.Транзисторы PNP состоят из слоя полупроводника с примесью азота, расположенного между двумя слоями материала с примесью фосфора. Небольшой ток, выходящий из базы в режиме общего эмиттера, усиливается на выходе коллектора. Другими словами, транзистор PNP включен, когда его база опущена относительно эмиттера.

Стрелка в символе транзистора PNP находится на плече эмиттера и указывает направление обычного тока, когда устройство находится в прямом активном режиме.

8.3.5 BJT Регионы присутствия

Биполярные транзисторы имеют пять различных областей работы, определяемых способом смещения переходов. Чтобы наглядно представить режимы работы, нарисуйте NPN-транзистор с коллектором вверху, базой посередине и эмиттером внизу. Теперь есть две разницы напряжения: между коллектором и базой и между базой и эмиттером. Обратите внимание на два момента: V _CB = — V _BC , а «соединение база-коллектор с обратным смещением» означает V _BC <0 или V _CB > 0.Проще говоря, это означает, что коллектор имеет более высокое напряжение, чем база (если зондировать). Механическим аналогом может быть труба и вентиль.

Клапан базовый, а две стороны трубы — коллектор и эмиттер. Теперь количество протекающей воды (тока) зависит от того, насколько открыт клапан (напряжение от базы к эмиттеру) и сколько воды у вас наверху трубы (напряжение от коллектора до базы). Если вы запишете смещения в терминах приложенных напряжений ( V _CB , V _BE ) вместо смещения перехода, режимы работы можно описать как:

1. Активный в прямом направлении: база выше эмиттера, коллектор выше базы (в этом режиме ток коллектора пропорционален току базы на β _F ).
   

2. Насыщенность: База выше эмиттера, но коллектор не выше базы.
   

3. Отсечка: база ниже эмиттера, но коллектор выше базы. Это означает, что транзистор не пропускает обычный ток через коллектор к эмиттеру.
   

4. Reverse Active: база ниже эмиттера, коллектор ниже базы: обратный условный ток проходит через транзистор.

Что касается смещения перехода: (« переход база-коллектор с обратным смещением » означает V _BC <0 или V _CB > 0)

1. Вперед — активный (или просто активный): переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении.Большинство биполярных транзисторов спроектированы так, чтобы обеспечить максимальное усиление по току с общим эмиттером, β _F , в прямом активном режиме. В этом случае ток коллектор-эмиттер приблизительно пропорционален току базы, но во много раз больше при небольших изменениях тока базы.
   

2. Обратный — активен (или инверсный — активен или инвертирован): реверсируя условия смещения прямой активной области, биполярный транзистор переходит в обратно-активный режим.В этом режиме области эмиттера и коллектора меняются ролями. Поскольку большинство биполярных транзисторов предназначены для максимального увеличения коэффициента усиления по току в прямом активном режиме, β _F в инвертированном режиме в несколько (2-3 для обычного германиевого транзистора) раз меньше. Этот транзисторный режим используется редко, обычно рассматривается только для условий отказоустойчивости и некоторых типов биполярной логики. Напряжение пробоя обратного смещения к базе может быть на порядок ниже в этой области.
   

3. Насыщение: с обоими переходами, смещенными в прямом направлении, BJT находится в режиме насыщения и обеспечивает проведение сильного тока от эмиттера к коллектору.Этот режим соответствует логическому «включению» или замкнутому переключателю.
   

4. Отсечка: В отсечке присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба перехода смещены в обратном направлении). Ток очень слабый, что соответствует логическому «выключению» или разомкнутому переключателю.

5. Лавина разрушение район

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они частично перекрываются при малых (менее нескольких сотен милливольт) смещениях.Например, в типичной конфигурации с заземленным эмиттером NPN BJT, используемого в качестве понижающего переключателя в цифровой логике, состояние «выключено» никогда не включает в себя переход с обратным смещением, поскольку базовое напряжение никогда не опускается ниже уровня земли; тем не менее прямое смещение достаточно близко к нулю, чтобы ток практически не протекал, поэтому этот крайний предел прямой активной области можно рассматривать как область отсечки.

8.4.1 Биполярный переходной транзистор с большим сигналом Модель

Как мы только что узнали, транзистор с биполярным переходом (BJT) может работать в одной из трех областей:

1. Область отсечки: транзистор выключен, и ток между коллектором и эмиттером не течет ( i.е. , сопротивление коллектор-эмиттер бесконечно).
   

2. Активная область: Транзистор действует как источник тока с регулируемым током между коллектором и эмиттером, как в базовой модели.
   

3. Область насыщения: когда напряжение между коллектором и эмиттером падает ниже определенного уровня (обычно, когда напряжение коллектора и базы равно нулю или меньше), ток базы увеличивается и соотношение I _C к I _B , или β намного меньше, чем в активной области.

В активной области транзистор регулирует ток коллектора на? умножить на базовый ток. Если базовый ток I _B , падает до 0, транзистор входит в область отсечки и закрывается. Когда напряжение коллектора становится меньше или равным базовому напряжению, базовый ток увеличивается, а β падает. В этом случае транзистор переходит в область насыщения. Чтобы не допустить попадания транзистора в область насыщения, общее практическое правило состоит в том, что напряжение на коллекторе должно быть более положительным, чем напряжение на базе.То есть переход коллектор-база всегда имеет обратное смещение.

Простая модель работы NPN и PNP BJT транзисторов в активной области показана на рисунке 8.4.1. Требуется знать коэффициент усиления по току β, чтобы спроектировать схему. В обеих этих моделях

I _C = βI _B , I _E = (β + 1) I _B и

Эмиттер отделен от базы диодом. Чтобы этот диод проводил ток, в случае устройства на основе кремния он должен быть смещен в прямом направлении на ~ 0.65В.

Рисунок 8.4.1 (a) Активная область NPN (b) Активная область PNP

Диод база-эмиттер: всегда помните о рисунке 8.4.1. Модель Эберса-Молла BJT рассматривает соотношение тока и напряжения в переходе база-эмиттер точно так же, как идеальный диод Шокли, ток которого отражается в коллекторе с усилением. Когда V _B и V _E неочевидны, помните о диоде база-эмиттер.

8.4.2 Ранний эффект (модуляция базовой ширины)

Ранний эффект был впервые обнаружен и объяснен Джеймсом Эрли, когда он работал в Bell Labs. В нашем идеальном устройстве ток коллектора должен быть равен току базы, умноженному на постоянный коэффициент усиления β. Но, как мы видели выше, каждый p-n-переход имеет два обедненных слоя. Для перехода коллектор-база один истощающий слой простирается в коллектор, другой — в основание. База почти всегда более сильно легирована, чем коллектор, поэтому ее обедненный слой довольно неглубокий.Однако основание также очень тонкое, поэтому даже неглубокий обедненный слой занимает значительную часть ширины основания. С увеличением напряжения на коллекторе обедненные слои расширяются. В области коллектора это имеет небольшой эффект (пока он не попадает в другую сторону коллектора), но в области основания это сужает ширину основания. Поскольку коэффициент усиления биполярного транзистора очень сильно зависит от ширины базы, коэффициент усиления просто увеличивается при уменьшении эффективной ширины базы. Если вы проведете прямую линию, увеличивая наклон в передней активной области (от 0.От 4 до 15 вольт, например) в отрицательный квадрант и дайте ему пересечься с линией нулевого тока, вы получите раннее напряжение В _A . В преувеличенном случае, показанном на рисунке 8.4.2, раннее напряжение будет -15 В (но обычно выражается как 15 В). В зависимости от ширины основания, предусмотренной в производственном процессе, она может быть больше или меньше, чем показанная, с соответственно меньшим или более крутым уклоном.

Рисунок 8.4.2 Раннее напряжение

8.5.1 Базовая конструкция и принцип работы

Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник n-типа (MOSFET) состоит из истока и стока, двух высокопроводящих полупроводниковых областей n-типа, которые изолированы от подложки p-типа PN-диодами с обратным смещением. Затвор из поликристаллического кремния покрывает область между истоком и стоком, но отделен от полупроводника изолирующим слоем оксида. Базовая структура полевого МОП-транзистора n-типа и соответствующий символ схемы показаны на рисунке 8.5.1.

Рисунок 8.5.1 Поперечное сечение и условное обозначение схемы металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор n-типа (MOSFET)

Как видно на рисунке, области истока и стока идентичны. Именно приложенные напряжения определяют, какая область n-типа обеспечивает электроны и становится источником, в то время как другая область n-типа собирает электроны и становится стоком. Напряжения, приложенные к электроду стока и затвора, а также к подложке посредством заднего контакта, относятся к потенциалу истока, как также показано на рисунке.

Вид сверху того же полевого МОП-транзистора показан на рисунке. 8.5.2, где указаны длина ворот L и ширина ворот W. Обратите внимание, что длина затвора не равна физическому размеру затвора, а скорее расстоянию между областями истока и стока под затвором. Перекрытие между затвором и областью истока и стока требуется, чтобы гарантировать, что инверсионный слой образует непрерывный проводящий путь между областью истока и стока. Обычно это перекрытие делается как можно меньше, чтобы свести к минимуму его паразитную емкость.

Рисунок 8.5.2 Вид сверху металл-оксид-полупроводник-полевой транзистор n-типа (MOSFET)

Поток электронов от истока к стоку контролируется напряжением, приложенным к затвору. Положительное напряжение, приложенное к затвору, притягивает электроны к границе раздела между диэлектриком затвора и полупроводником. Эти электроны образуют проводящий канал между истоком и стоком, называемый инверсионным слоем. Ток затвора не требуется для поддержания инверсионного слоя на границе раздела, поскольку оксид затвора блокирует любой поток носителей.В итоге ток между стоком и истоком регулируется напряжением, приложенным к затвору.

Типичные характеристики тока в зависимости от напряжения (I- V ) полевого МОП-транзистора показаны на рисунке ниже. Реализована квадратичная модель полевого МОП-транзистора.

8,6 МОП-транзистор, большой сигнал, модель

8.6.1 Режимы работы

Работа полевого МОП-транзистора может быть разделена на три различных режима в зависимости от напряжений на клеммах.В следующем обсуждении используется упрощенная алгебраическая модель, которая верна только для старых технологий. Характеристики современных полевых МОП-транзисторов требуют компьютерных моделей, которые имеют более сложное поведение.

Для расширения — режим , n-channel MOSFET, три рабочих режима:

Режим отсечки, подпорога или слабой инверсии
Когда:
Где V _th — пороговое напряжение устройства.

Согласно базовой пороговой модели, транзистор выключен, и между стоком и истоком нет проводимости.В действительности, распределение энергии электронов Больцмана позволяет некоторым из более энергичных электронов в источнике проникать в канал и течь в сток, что приводит к подпороговому току, который является экспоненциальной функцией напряжения затвор-исток. В то время как ток между стоком и истоком в идеале должен быть равен нулю, когда транзистор используется в качестве выключенного ключа, существует слабый ток инверсии, иногда называемый подпороговой утечкой. При слабой инверсии ток изменяется экспоненциально в зависимости от смещения затвор-исток В _GS , что приблизительно равно:

Где:
I _D0 = ток при В _GS = В _th

а коэффициент наклона n определяется выражением

С участием:

C _D = емкость обедненного слоя

А также

C _OX = емкость оксидного слоя.

В устройстве с длинным каналом нет зависимости тока однократно от напряжения стока. сложным образом от геометрии устройства (например, легирование канала, легирование перехода и т. д.). Часто пороговое напряжение В _th для этого режима определяется как напряжение затвора, при котором возникает выбранное значение тока I _D0 , например, I _D0 = 1 мкА, что может не совпадать с V _th — значение, используемое в уравнениях для следующих режимов.

Некоторые аналоговые схемы микромощностей предназначены для использования преимущества подпороговой проводимости. Работая в области слабой инверсии, полевые МОП-транзисторы в этих схемах обеспечивают максимально возможное отношение крутизны к току, а именно:

Что почти то же самое, что и биполярный транзистор.

Подпороговая кривая I- V экспоненциально зависит от порогового напряжения, вводя сильную зависимость от любых производственных изменений, которые влияют на пороговое напряжение; например: изменения толщины оксида, глубины перехода или легирования тела, которые изменяют степень снижения барьера, вызванного стоком.Возникающая в результате чувствительность к вариациям изготовления усложняет оптимизацию утечки и производительности.

Триодный режим или линейная область (также известный как резистивный режим)

Когда

а также

Транзистор включается, и создается канал, который позволяет току течь между стоком и истоком. МОП-транзистор работает как резистор, управляемый напряжением затвора относительно напряжений истока и стока.Ток от стока к истоку моделируется следующим образом:

Где:
μ _n — эффективная подвижность носителей заряда,
W — ширина затвора,
L — длина затвора
C _ox — емкость оксида затвора на единицу площади.

Переход от экспоненциальной подпороговой области к триодной области не такой резкий, как предполагают уравнения.

Насыщенность или активный режим,

Когда

а также

Переключатель включен, и был создан канал, который позволяет току течь между стоком и истоком.Поскольку напряжение стока выше, чем напряжение затвора, электроны распространяются, и проводимость осуществляется не через узкий канал, а через более широкое, двумерное или трехмерное распределение тока, простирающееся от границы раздела и глубже в подложку. Начало этой области также известно как pinch- off, чтобы указать на отсутствие области канала около стока. Ток стока теперь слабо зависит от напряжения стока и контролируется в основном напряжением затвор-исток и моделируется очень приблизительно как:

Дополнительный фактор, включающий λ, параметр модуляции длины канала, моделирует зависимость тока от напряжения стока из-за эффекта Early или модуляции длины канала.Согласно этому уравнению, ключевым параметром конструкции крутизна полевого МОП-транзистора является:

Комбинация называется напряжением перегрузки. Другим ключевым параметром конструкции является выходное сопротивление полевого МОП-транзистора r _O , которое определяется по формуле:

r _out является инверсией g _ds , где

V _DS — выражение в области насыщения.

Если ? принимается равным нулю, в результате получается бесконечное выходное сопротивление устройства, что приводит к нереалистичным предсказаниям схемы, особенно в аналоговых схемах.Поскольку длина канала становится очень короткой, эти уравнения становятся неточными. Возникают новые физические эффекты. Например, перенос носителей в активном режиме может быть ограничен насыщением скорости. Когда преобладает насыщение по скорости, ток стока насыщения более близок к линейному, чем к квадратичному в V _GS . На еще меньших длинах носители транспортируются с почти нулевым рассеянием, известным как квазибаллистический транспорт. Кроме того, на выходной ток влияет снижение порогового напряжения, вызванное стоком.

8.7 Малосигнальные модели Hybrid-pi

Модель гибридного Пи — это популярная схемная модель, используемая для анализа поведения слабого сигнала биполярных переходных и полевых транзисторов. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.

8.7.1 Параметры биполярного перехода (BJT)

Модель hybrid-pi представляет собой приближение линеаризованной двухпортовой сети к BJT с использованием напряжения база-эмиттер слабого сигнала v ₌ и напряжения коллектор-эмиттер v _ce в качестве независимых переменных и базового тока слабого сигнала i. _b и ток коллектора i _c в качестве зависимых переменных.Базовая низкочастотная гибридная пи-модель биполярного транзистора (NPN) показана на рисунке 8.7.1.

Рисунок 8.7.1 Модель BJT Hybrid-pi

Различные параметры следующие:

Крутизна, г _м , в сименсах, определяется следующим уравнением:

где:

I _C — ток покоя коллектора (также называемый током смещения коллектора или постоянным током коллектора) — тепловое напряжение, рассчитанное из постоянной Больцмана k , заряда электрона q и температуры транзистора в кельвинах T .При 300 K (приблизительно комнатная температура) V _T составляет около 26 мВ .

где:
— текущий коэффициент усиления на низких частотах (также обозначается как h _FE ).

Здесь I _B — базовый ток точки покоя. Это параметр, специфичный для каждого транзистора, его можно найти в таблице данных; ß — это функция выбора тока коллектора.

Выходное сопротивление из-за раннего эффекта ( В _А — раннее напряжение).

Связанные термины:

Величина, обратная выходному сопротивлению, называется выходной проводимостью.

Величина, обратная величине г _м , называется внутренним сопротивлением r _E

8.7.2 Параметры MOSFET

Базовая низкочастотная гибридная пи-модель для полевого МОП-транзистора (n-типа) показана на рисунке 8.7.2.

Рисунок 8.7.2 Модель MOSFET Hybrid-pi

Различные параметры следующие:

gm — крутизна в сименсах, рассчитанная по току стока I _D . куда:

I _D — это ток стока покоя (также называемый смещением стока или постоянным током стока) В _th = пороговое напряжение и В _GS = напряжение затвор-исток.

Комбинация: часто называется напряжением перегрузки.

r _o — выходное сопротивление из-за модуляции длины канала с использованием приближения для параметра модуляции длины канала λ.

Здесь V _E — параметр, связанный с технологией (около 4 V / мкм для технологического узла 65 нм), а L — длина разнесения истока и стока.

Величина, обратная выходному сопротивлению, называется проводимостью стока.

8.8 Модель T

Модель hybrid-pi, безусловно, является самой популярной моделью слабого сигнала для транзисторов BJT и MOS. Альтернативой является Т-модель, которая полезна в определенных ситуациях. Модель T также имеет две версии:

Т-модели слабого сигнала для транзисторов PNP BJT и PMOS идентичны показанным здесь для транзисторов NPN и NMOS. Важно отметить, что нет никаких изменений полярностей (напряжения или тока) для моделей p-типа по сравнению с моделями n-типа.Опять же, эти модели слабого сигнала идентичны. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более высокочастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных емкостей и других паразитных элементов.

Базовая низкочастотная Т-модель для MOSFET и BJT показана на рисунке 8.8.1.

Рисунок 8.8.1 Модель MOSFET и BJT T

Некоторые важные уравнения МОП.

Некоторые важные уравнения БЮТ.

Лабораторная деятельность

Биполярные транзисторы

---

---

Транзистор, пожалуй, самое фундаментальное устройство в современной электронике. Именно изобретение транзистора положило начало «электронике». революция ‘, и транзистор по-прежнему является самым основным из всех элементов в электронной схеме.

Доступны различные типы транзисторов, но есть два основных класса: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.Первая группа — это предмет этого раздела (второй — предмет раздела 9}. Условное обозначение схемы типичного биполярного транзистора приведено на фиг. 1.

РИС. 1 условное обозначение транзистора типа npn

Устройство имеет три вывода, именуемые эмиттером, коллектором. и база. Читатели, последовательно просматривающие это руководство и имеющие Прочтите Раздел 5 уже будете знакомы с термоэмиссионным триодным клапаном, и распознает соответствие между тремя терминалами транзистор и катод, анод и сетка клапана.Во многих отношениях можно сказать, что транзистор «заменил» клапан, поскольку он такое же устройство и используется для усиления электрических сигналов. Но сходство не полное. В то время как клапан реагирует на изменение напряжение в сети, транзистор — это устройство, работающее от тока, и обеспечивает выходной ток, пропорциональный входному току. Он ведет себя так, как если бы это был переменный резистор, значение которого зависит от от тока, протекающего через базовое соединение.Действительно, название «транзистор» — это сокращение от «передаточного резистора», которое способ описания свойств устройства.

Схема на фиг. 2а показан транзистор в конфигурации тестовой схемы. (но не пытайтесь!), называемый режимом обычного эмиттера. Если вход клемма A сделана положительной по отношению к эмиттеру, ток будет поток между базой и эмиттером. Переход база-эмиттер будет вести себя точно так же, как полупроводниковый диод с прямым смещением (см. фиг.2б).

РИС. 2 простой транзисторный усилитель и указание базы цепь

РИС. 3 транзистор устанавливает переменное сопротивление в коллекторный контур

РИС. 4 практическая схема для приблизительного измерения транзистора выигрыш

В определенном диапазоне базовых токов переход коллектор-эмиттер покажет характеристики переменного резистора, сопротивление который обратно пропорционален базовому току (см. фиг.3). Выходной ток транзистора, измеренный измерителем последовательно с коллектор, больше входного тока на довольно большую константу, обычно от 20 до 1000, в зависимости от конкретного устройства.

Практическая схема измерения выходного тока транзистора для диапазон входных токов представлен на фиг. 4. Корректировка переменной резистор VR 1 позволяет управлять током базы и делает возможным для проверки выходного тока для диапазона входных токов.Схема используется следующим образом; с разомкнутым SW1 и максимальным сопротивлением VR 1, измеритель подключен к клеммам SW1 для считывания тока базы.

VR 1 настроен на требуемое значение базового тока. Счетчик может теперь снимается и соединяется последовательно с коллекторной цепью, поперек клеммы А-А. Если SW1 теперь замкнут, ток коллектора можно измерить.

Преимущество этой испытательной схемы в том, что требуется только один мультиметр; недостаток в том, что нет компенсации сопротивления измерителя, что может повлиять на точность эксперимента.Если необходимо, резистор, равный по величине сопротивлению мультиметра на Выбранный диапазон тока может быть подключен последовательно с SW1 для более точной полученные результаты.

Используя компоненты, указанные на РИС. 4, тест может быть выполнен для значений тока коллектора примерно до 200 мА. Батарея может начаться сигнализировать о токах, превышающих этот, и если цепь коллектора оставленный подключенным на любое время, транзистор станет довольно теплый — все-таки при 200 мА (и еще раз предполагая, что тестовый счетчик имеет незначительное сопротивление) он будет рассеивать P = Vxl Вт P = 9 X 200/1000 P = 1.8 Вт. По этой причине указанный транзистор ( чрезвычайно мощного типа) следует использовать в этой схеме. Резистор R ограничивает базовый ток до безопасного значения.

В диапазоне коллекторных токов от 10 до 200 мА расчет Ic / Ib (ток коллектора / ток базы) должен давать значение, приблизительно равное постоянный. Эта константа представляет собой усиление тока большого сигнала транзистора. при использовании в режиме общего эмиттера (может использоваться в других режимах-подробнее о них позже в этом разделе).Это значение обозначается символом hFE. HFE 2N3055 указан (производителем) как находящийся между 20 и 70; между разными примерами довольно большой разброс того же устройства.

1. ТРАНЗИСТОРНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Теперь должно быть понятно, как транзистор работает как усилитель. ИНЖИР. 5 показана простейшая схема транзисторного усилителя.

Напряжение, приложенное ко входу, вызовет протекание базового тока, и базовый ток будет отражаться в изменении тока коллектора, что в свою очередь изменит выходное напряжение.Удобный способ визуализировать это — подумать о коллекторной цепи транзистора. и резистор нагрузки коллектора RL, образующий две половины потенциометра, с переменной нижней половины в значении при изменении базового тока. ИНЖИР. 6 иллюстрирует это.

РИС. 5 простой транзисторный усилитель, маловероятный для использования на практике

РИС. 6 выходная цепь усилителя как делитель потенциала

2. ФИЗИКА ТРАНЗИСТОРОВ

Кратко рассмотрев типичный биполярный транзистор, теперь обратимся к физика устройства и способ его изготовления.Типичный транзистор показан на фиг. 7. Это трехслойное устройство, По внешнему виду похож на pn-диод, за исключением того, что у него есть дополнительный сравнение слоев Фиг. 7 с рисунком 7.7 (стр. 84). Важная штука информации — вы поймете, почему это важно, поскольку описание то, как работает транзистор, прогрессирует — вот этот материал типа более сильно легирован, чем материал p-типа. Результатом этого является что количество свободных электронов в полупроводнике n-типа сильно превышает количество дырок в полупроводнике p-типа.

РИС. 7 физическая конструкция кремниевого npn-транзистора

Мы можем нарисовать диаграмму уровней энергии транзистора, сначала когда устройство находится в состоянии покоя, и ни к одному из его выводов не подключено питание.

РИС. 8 показывает это.

РИС. 8 диаграмма уровней энергии для транзистора без напряжения

РИС. 9 диаграмма уровней энергии при положительном относительном положении коллектора к эмиттеру рис 8.Диаграмма 10 уровней энергии, когда база более положительна чем эмиттер

Ни электроны, ни дырки не могут пересекать обедненные области, потому что большой разницы в уровнях энергии. Если мы сейчас сделаем коллектор положительный по отношению к эмиттеру, как в схеме, показанной на фиг. 5 изображение отличается от изображения, показанного на фиг. 9. Ясно, однако, что потока электронов или дырок через любой перекресток.

Когда база сделана более положительной, чем эмиттер, состояние дел резко меняется, как показано на фиг.10, в котором положительное напряжение приложено к базе, чтобы сделать его положительным относительно к эмиттеру (но все равно отрицательно по отношению к коллектору). Под В этих условиях большое количество электронов может вытекать из область эмиттера в базовую область, уровни энергии на излучателе базовый переход был сделан достаточно близко, чтобы позволить электронам перемещаться по перекрестку. Достаточно небольшая часть этих электронов совмещаем с отверстиями в области основания.Восстановление дырок в Полупроводник p-типа требует потока электронов из базовой области (или перетекание дырок в базовую область). Это составляет основу ток через схему, показанную на фиг. 2b.

Большинство электронов в базовой области дрейфуют к базе. коллекторный переход, где их притягивает положительный потенциал область обеднения в материале n -типа коллектора. Электроны может, таким образом, течь от эмиттера к коллектору, и этот ток течет составляет ток коллектора, показанный на фиг.3.

Ток коллектора больше, чем ток базы, потому что относительный дефицит дырок в слаболегированной области базы p-типа ограничивает количество тока, которое может быть снято с базы, ограничивая наличие носителей заряда.

Поскольку в его работе участвуют и электроны, и дырки, это Тип транзистора называется биполярным, и из-за его конструкции с базовой областью p-типа и эмиттером и коллектором n-типа, он называется транзистор npn.

Достаточно подумать несколько мгновений, чтобы понять, что это одинаково можно сделать pnp-транзистор с базой типа n и Излучатель и коллектор р-типа. ИНЖИР. 11 показан символ схемы для транзистор pnp в схеме, аналогичной показанной на фиг. 5.

РИС. 11 pnp-транзистор, используемый в простой схеме усилителя

Обратите внимание, что полярность источника питания также обратная: база и коллектор под отрицательным потенциалом относительно эмиттера.Операция такой же, как npn-транзистор, но с относительными функциями обменялись дырками и электронами.

Доступны транзисторы как npn, так и pnp; Типы npn — это некоторые что обычнее, и вообще немного дешевле.

Практически все современные транзисторы сделаны с использованием кремния в качестве полупроводникового материала. материал. По сравнению с германием (см. Раздел 6) кремний менее подвержен влиянию колебаниями температуры, и имеет меньше нежелательных характеристик.Доступно несколько германиевых транзисторов, и их можно использовать где важно низкое прямое падение напряжения.

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Конфигурация схемы, показанная на рисунках 5 и 11, относится к к схеме с общим эмиттером, причем эмиттер является общим для обоих входов и выходные цепи. Это самый обычный способ подключения транзистора. При использовании в этом (да и в любом другом) режиме транзистор проявляет определенные характеристики, которые мы можем использовать в качестве меры его эффективности.

Во-первых, и, возможно, наиболее важно, это большой коэффициент усиления сигнала по току, значение, которое мы измерили в начале этого раздела, выраженное как отношение Ic / Ib, ток коллектора, деленное на ток базы, и заданное символ hFE · К сожалению для тех из нас, кто любит простоту жизни, hFE не является постоянным, но изменяется в зависимости от напряжения коллектора. Это известно как ранний эффект (по имени человека, который первым предположил, что его вызвало). Один из лучших способов проиллюстрировать, как hFE меняется с помощью коллектора напряжение — построить график зависимости тока коллектора (/ c) от коллектора. напряжение (Vee) для диапазона различных базовых токов (/ b), выбирая значения для / b и Vee, которые чувствительны для измеряемого транзистора.А типичный набор графиков, называемых характеристическими кривыми, показан на фиг. 12, который стоит внимательно изучить.

РИС. 12 кривых характеристик транзисторов

Прямая наклонная часть кривой называется линейной областью, и транзистор должен работать на этой части кривой в течение большей части целей, например для всех типов линейных усилителей. Почти вертикальный часть кривой отмечает насыщенную область характеристик — транзистор быстро « переключается » из непроводящего в проводящее состояние (от «выключено» до «включено») по мере увеличения базового тока.Транзисторы работают в этой части характеристики в цифровых схемах, где важны быстрое переключение и низкое рассеяние мощности.

Особенностью всех транзисторов является ток утечки, ток, который протекает в коллектор, когда базовое соединение отключено (т. е. разомкнуто). Базовый ток утечки обозначен символом I ceo. Для кремниевых транзисторов Генеральный директор очень маленький, редко достигает нескольких микроампер. Германиевые транзисторы имеют гораздо большее значение I ceo, часто приближающееся к миллиамперам; в германии В транзисторах ток утечки также сильно зависит от температуры, поэтому настолько, чтобы их можно было использовать в качестве датчиков температуры.Кремний На ток утечки транзистора меньше влияет температура при нормальном рабочие температуры.

Изменения температуры также влияют на падение напряжения на переходе база-эмиттер. При повышении температуры на каждые 10 ° C напряжение база-эмиттер уменьшается. примерно на 20 м В. Повышение температуры также изменяет характеристики кривых, раздвигая их дальше друг от друга и перемещая вверх по график.

Наконец, повышение температуры окружающей среды снижает управляемую мощность способность транзистора за счет замедления скорости теплопередачи от кожух (и, следовательно, стык).Теплоотдача от транзистора переход к внешнему миру пропорционален разнице температур между ними; способность транзистора рассеивать тепло указывается в ° C / Вт, повышение температуры корпуса (не соединения) на ватт рассеяние при данной температуре окружающей среды, обычно 20 ° C. Радиаторы отопления или радиаторы могут использоваться для улучшения способности теплопередачи путем значительная сумма фиг. 13 показаны некоторые типичные формы.

РИС.13 подборка радиаторов и радиаторов

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Существует много тысяч различных типов транзисторов, каждый возможна другая спецификация. Производители постоянно внедряют новые конструкции и снятие устаревших типов. В общем, есть «дизайн» типы (новейшие, для нового оборудования), «стоковые» типы и «сервисные» (устаревшие) типы. Когда разработчик указывает конкретный тип транзистора, Учитываются следующие основные параметры:

(1) Класс.Есть как минимум три класса полупроводниковых приборов: в соответствии с его надежностью, способностью противостоять неприятным условиям окружающей среды — например, тепло-, влажное, радиационно-физическое строительство. Один большой полупроводник производитель называет эти классы «военным», «промышленным» и «развлекательным». Лучшие военные компоненты значительно дороже, чем два других класса.

(2) Мощность. Есть большие транзисторы и маленькие транзисторы.Большой одни могут рассеивать до 150 Вт, а самые маленькие могут перегреваться. выше 100 мВт. Транзисторы с большой диссипацией называются силовыми транзисторами. и часто спроектированы так, чтобы их можно было прикрутить к подходящему нагреву. радиатор.

Рассеивание частично зависит от размера полупроводника. микросхема, и частично функция устройства внутри транзистора для отвода тепла от стыка. Силовой транзистор и маленькие транзисторы в пластиковом корпусе сравниваются на фиг.14. Мощность рассеивание обозначается символом PToT.

РИС. 14 сравнение больших и малых корпусов транзисторов.

(3) Текущий. Максимальный продолжительный ток коллектора, который может выдержать транзистор. pass обозначается символом Ic (MAX). Это связано с властью в этой власти транзисторы обычно имеют большее значение Ic (MAX), чем транзисторы с малым знаком, но мощность, конечно, зависит от силы тока и напряжения. Большинство транзисторов выдерживает токи коллектора, в несколько раз превышающие Ic (MAX), если они очень непродолжительны.

(4) Напряжение. Самая полезная мера рабочего напряжения транзистора это максимальное безопасное напряжение, которое может быть приложено между коллекторами. и эмиттер, когда соединение базы разомкнуто. Это дано символ Vceo • и может быть от десяти до нескольких сотен вольт.

(5) Усиление. Мы уже разобрались с hFE, наиболее удобной мерой коэффициента усиления транзистора по току. Есть и другие способы измерения усиление (например, в режиме с общей базой), но чаще всего используется hFE. цитируемый и используемый параметр.Коэффициент усиления можно измерить для слабого сигнала. вместо большого сигнала, в этом случае используется символ hre. Более чем любой из других параметров, усиление может отличаться от одного примера к другому транзистору того же типа. Самые мелкие отличия в химическом составе полупроводников и легирующих примесей, а также крошечные различия в производстве, могут существенно повлиять на усиление конкретного устройства. Следовательно, производители цитируют «типичный» усиление для типа транзистора, а часто максимальное и минимальное.Вариант ± 50 процентов — вполне обычное явление.

(6) Частота. Способность транзистора «следовать» за высокочастотными сигналами зависит от многих факторов, но в основном от ширины базовой области: чем уже базовая область, тем быстрее электроны могут ее пересечь. Небольшой сигнальные транзисторы (кремниевые npn планарные) обычно имеют максимум допустимый предел частоты (обозначенный символом h) от 50 до 300 МГц. Силовые транзисторы, с другой стороны, имеют гораздо более низкие пределы частоты, до 100 МГц типично для типа 10 Вт.В настоящее время максимально доступный fT, за пределами очень дорогие специализированные устройства, около 1 ГГц; но сила будет быть очень низким.

(7) Ящик. Есть много разных конструкций корпусов, но большинство транзисторов используйте одну из относительно немногих форм, которые стали «стандартными» по сравнению с последние несколько лет. Для транзисторов с малым сигналом используется металлическая оболочка T018. или пластик T092 (более дешевый). В них, как и во всех конструкции корпуса транзистора, форма корпуса и положение указывает, какой из трех проводов является каким — обычно они не отмечены буквами «c», «b» и «e».Для транзисторов с P_TOT более 500 мВт или около того, используется более крупный металлический корпус, обычно конструкция T05. Для силовые транзисторы в пластмассовой оболочке ТО 126 или Т0202 с металлической может использоваться бирка для крепления к радиатору или радиатору; и для более мощные транзисторы (5-150 Вт), корпус T03 обычный — этот однозначно предназначен для использования с радиатором.

РИС. 16 таблица наиболее часто используемых типов транзисторов —— Выбор общих типов транзисторов

Все шесть из этих общих типов корпусов показаны на фиг.15.

РИС. 15 шесть распространенных типов инкапсуляции транзисторов

5. НЕКОТОРЫЕ ТИПОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

РИС. 16 дает таблицу некоторых распространенных транзисторов, которые могут быть найдены. в любом хорошем магазине электронных компонентов.

Далее мы рассмотрим второй основной класс транзисторов, полевые транзисторы. транзистор (FET).

ВОПРОСОВ

1. Какой вывод биполярного транзистора является общим для входа и выходные цепи в наиболее часто используемой конфигурации?

2.Как рассчитать коэффициент усиления транзистора по току?

3. Если эмиттер более положительный или более отрицательный, чем коллектор в (i) pnp, (ii) npn транзисторах?

4. Опишите ранний эффект.

5. Какой ток утечки?

Тестер биполярных транзисторов | Подробная принципиальная схема Avaialble

Этот тестер биполярных транзисторов может указывать тип транзистора, а также определять его выводы на базе, коллекторе и эмиттере.Схема очень простая. Направление протекания тока от выводов тестируемого транзистора (ТУТ) отображается парой светодиодов (зелено-красный).

Транзистор NPN излучает красно-зелено-красное свечение, в то время как транзистор PNP дает свечение зелено-красно-зеленым, в зависимости от контрольной точки, которая подключается к выводу транзистора. Эмиттер и коллектор дифференцируются нажатием кнопочного переключателя S1, который фактически увеличивает напряжение питания схемы примерно на 5,1 В.

Схема тестера биполярных транзисторов

В основе схемы лежит микросхема CD4069 (IC3), которая генерирует колебания и генерирует импульсы, необходимые для проверки пары выводов транзистора на проводимость в обоих направлениях.Различные комбинации выбираются расположением счетчика CD4040 (IC1) и двустороннего переключателя CD4016 (IC2).

Схема тестера биполярных транзисторов

Схема тестера биполярных транзисторов выше. К каждой контрольной точке подключена пара светодиодов, через которые ток течет в обоих направлениях. Каждый светодиод соответствует определенному направлению. Таким образом можно проверить оба перехода транзистора.

Светодиоды расположены так, чтобы указывать тип полупроводника через p-n переход.Счетчик синхронизируется генератором переменного тока, построенным вокруг ворот N5 и N6. Благодаря этому светодиоды светятся непрерывно для облегчения наблюдения, показывая направление тока между различными контрольными точками.

Итак, если красный светодиод, подключенный к определенной точке, светится, это означает, что соединение n-типа подключено к этой контрольной точке, и наоборот. Таким образом, красно-зелено-красное свечение указывает на тип транзистора NPN, а зеленое-красно-зеленое свечение указывает на транзистор PNP. По этому наблюдению вы можете легко обнаружить базу.

Коллектор и эмиттер различаются по тому принципу, что переход база-эмиттер выходит из строя при обратном смещении намного легче, чем переход база-коллектор. Таким образом, при повышенном напряжении переменного тока вы можете легко увидеть, что эмиттер проводит больше в обратном направлении (связанный светодиод значительно светится), чем коллектор. Рекомендуется использовать прозрачные или полупрозрачные светодиоды.

Отрегулируйте предустановку VR1 (2 мегаома), чтобы обеспечить равное свечение при замыкании любых двух контрольных точек.Нерегулируемое напряжение 15-18 В регулируется комбинацией стабилитрон-транзистор для питания схемы.

Схема работы

Процедура тестирования проста. Обычно транзисторы можно вставлять в любой ориентации, поскольку они имеют множество возможных расположений выводов базы, коллектора и эмиттера, таких как CEB, BEC и CBE. Просто подключите TUT к возможным комбинациям из трех точек. Свечение красно-зелено-красного цвета означает, что это транзистор NPN, а вывод, связанный с зеленым светодиодом, является базовым.

Чтобы идентифицировать эмиттер и коллектор, просто нажмите переключатель S1 и наблюдайте за зелеными светодиодами рядом с уже горящими красными светодиодами. Зеленый светодиод, светящийся с высокой интенсивностью, указывает на сторону эмиттера, а светодиод с низкой интенсивностью указывает на сторону коллектора.

Точно так же зелено-красно-зеленое свечение означает, что транзистор относится к типу PNP, а вывод, связанный с красным светодиодом, является базой. Чтобы идентифицировать эмиттер и коллектор, просто нажмите переключатель S1 и посмотрите красные светодиоды, связанные с уже горящими зелеными светодиодами по бокам.Светодиод, светящийся с высокой интенсивностью, указывает на сторону эмиттера, а светодиод с низкой интенсивностью указывает на сторону коллектора.

Авторский прототип

Строительство и испытания

Соберите схему на печатной плате общего назначения и поместите в небольшую коробку. Держите ручку предварительной настройки посередине. Чтобы упростить подключение TUT, вы можете увеличить количество контрольных точек, как показано в авторском прототипе здесь.

---

Проект был впервые опубликован в августе 2010 г. и недавно был обновлен.

Введение в транзисторы

Схемы, которые я рассмотрю в этой статье, более сложные, чем обсуждалось ранее. Вы узнаете о функциях и применении транзисторов с биполярным переходом (BJT) и полевых транзисторов (FET).

В моей предыдущей статье «Введение в основные электронные схемы» вы познакомились с простейшими, самыми основными типами электронных схем. Это отличное место для начала изучения электроники, но в конечном итоге любая реальная схема будет более сложной, чем те, которые обсуждались в той первой статье.

В этой статье я сосредоточился на так называемых пассивных схемах . К пассивным компонентам относятся резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, трансформаторы и т. Д. Активная цепь , с другой стороны, использует более сложные компоненты, такие как транзисторы. Электронный компонент считается активным, если он позволяет устройству управлять током в других частях цепи.

Схемы, которые я рассмотрю в этой статье, будут более сложными, но все они относительно простые схемы.Я не хочу вас ошеломлять, и очень важно начинать с простых и постепенно переходить к более сложным схемам.

Мы будем анализировать две широкие категории транзисторов: транзисторы с биполярным переходом (BJT) и полевые транзисторы (FET). Транзисторы могут работать как цифровые переключатели или использоваться в аналоговых приложениях, таких как усилители и регуляторы мощности.

В этой вводной статье я не буду вдаваться в подробности физики этих транзисторов, которые, вероятно, только вызовут путаницу, и вместо этого основное внимание будет уделено их функциональности и применению.

Биполярные переходные транзисторы (BJT)

Давайте сначала рассмотрим транзисторы с биполярным переходом, названные так потому, что они состоят из двух диодных переходов. Биполярный транзистор бывает двух видов: NPN и PNP. Буквы N и P указывают на то, легирована ли область полупроводникового кремния отрицательно или положительно.

Рисунок 1 — Биполярные переходные транзисторы (BJT) (n-тип = NPN и p-тип = PNP)

Биполярный транзистор состоит из трех выводов: коллектора, базы и эмиттера.Для биполярного транзистора NPN ток будет течь от коллектора к эмиттеру. Для транзистора PNP ток будет течь от эмиттера к коллектору.

Для включения NPN-транзистора базовое напряжение должно быть больше, чем напряжение эмиттера. Обратное верно для транзистора PNP, где базовое напряжение должно быть меньше напряжения эмиттера.

В большинстве схем эмиттер NPN будет связан с землей (или подключен к резистору, который подключается к земле), а эмиттер PNP будет связан с положительным источником питания (возможно, снова через резистор).

Биполярный транзистор имеет три зоны работы:

Активный регион:

При работе в активной области транзистор действует как усилитель. Напряжение между выводами базы и эмиттера (обычно называемое V _— ) контролирует величину тока, протекающего между коллектором и эмиттером.

Это экспоненциальная зависимость, поэтому малейшее изменение Vbe может иметь огромное влияние на ток коллектора. Поскольку этот переход база-эмиттер на самом деле представляет собой просто диод, напряжение (V ₌ ) всегда будет близко к 0.7В. Это соотношение регулируется следующим уравнением:

I

_C = I _S * exp (V _на / V _T )

Где I _C = ток коллектора, I _S = ток обратного насыщения (известная константа порядка от 10 ⁻¹⁵ до 10 ⁻¹² ампер), а V _T называется тепловым напряжением. которая пропорциональна температуре (примерно 26 мВ при комнатной температуре).

Биполярный транзистор, работающий в активной области, также обеспечивает усиление тока.Ток, протекающий через вывод базы, будет увеличиваться параметром транзистора, известным как β (бета) или иногда h _FE . Этот накопленный ток будет течь между коллектором и эмиттером. Уравнение для этого:

I

_C = β * I _B

Где I _C = ток коллектора, β — коэффициент усиления по току для транзистора, а I _B = ток базы.

Наконец, ток эмиттера для BJT равен сумме токов базы и коллектора:

I

_E = I _C + I _B

Насыщенность и отсечка:

В области насыщения биполярный транзистор полностью включен и действует как замкнутый переключатель между выводами коллектора и эмиттера.В то время как в области отсечки транзистор полностью выключен и действует как разомкнутый переключатель.

Однако для приложений цифровой коммутации я предпочитаю использовать полевые транзисторы вместо транзисторов с биполярным переходом.

Полевые транзисторы (FET)

Другая широкая классификация транзисторов называется полевыми транзисторами. Как и в случае с BJT, у полевого транзистора есть три контакта, которые служат для аналогичных целей. Контрольный штифт называется затвором (вместо основания). Ток в полевом транзисторе протекает между стоком (аналогично коллектору на BJT) и истоком (так же, как эмиттер BJT).

Одним из наиболее значительных функциональных различий между BJT и FET является то, что управляющий штифт (затвор) электрически изолирован изолирующим оксидным слоем. В затвор не течет ток, как в случае с базой биполярного транзистора. Полевой транзистор — это устройство, управляемое только напряжением.

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы бывают двух видов: n-типа и p-типа. Доступны различные типы полевых транзисторов, но наиболее распространенный тип — полевые МОП-транзисторы. MOS означает металл-оксид-полупроводник, и это просто относится к изоляционному материалу, который образует изолированный затвор.

Полевой транзистор n-типа обычно называют NFET или NMOS для полевых МОП-транзисторов n-типа. Полевой транзистор p-типа называется PFET или PMOS для полевых МОП-транзисторов p-типа.

Рисунок 2 — Полевые транзисторы (FET) (n-тип = NFET и p-тип = PFET)

Полевые транзисторы имеют три зоны работы:

Обрезной регион:

Важным параметром полевого транзистора является так называемое пороговое напряжение (V _t ). Это минимальное напряжение между выводами затвора и истока (называемое V _GS ), при котором устройство начинает включаться.Если V _GS меньше, чем V _t , то ток не будет течь между стоком и истоком. Этот регион известен как режим отсечки или подпороговый режим:

.

Если V

_GS t , то Id = 0 (область отсечения)

В области отсечки полевой транзистор действует как разомкнутый переключатель.

Как только V _GS станет больше, чем пороговое напряжение (V _t ), тогда полевой транзистор войдет либо в линейную область, либо в активную область, в зависимости от напряжения между выводами стока и истока.

Линейная область (также называемая омическим режимом или триодным режимом):

Когда V _GS больше порогового напряжения, но напряжение на выводах сток-исток меньше разницы между V _GS и V _t , тогда полевой транзистор работает в линейной области.

Если V

_GS > V _t и V _DS GS — V _t = Линейная область

В линейной области полевой транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.В этой области, если напряжение затвора достаточно велико, полевой транзистор будет действовать как замкнутый переключатель (то есть резистор с низким сопротивлением).

Активный регион

Когда V _GS больше, чем V _t , и напряжение сток-исток (V _DS ) больше, чем разница между V _GS и V _t , тогда полевой транзистор находится в активной области .

Если V

_GS > V _t и V _DS > V _GS — V _t = Активная область

В активной области полевой транзистор может выполнять такие функции, как усиление напряжения.

Биполярный транзистор известен как экспоненциальное устройство из-за экспоненциальной зависимости между выходным током и управляющим напряжением (уравнение 1) при работе в активной области.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF . 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

С другой стороны, полевой транзистор является квадратичным устройством, что означает, что выходной ток пропорционален квадрату управляющего напряжения (V _GS ) при работе в активной области.Уравнение для полевого транзистора выглядит следующим образом:

I

_D = k ’* (V _GS — V _t ) ²

, где I _D = ток стока, а k ’- константа, связанная с конкретным полевым транзистором.

Это было только очень общее введение в некоторые из фундаментальных концепций, связанных с транзисторами. В зависимости от того, насколько глубоко вы хотите погрузиться, вам предстоит еще многому научиться. Фактически, было написано много книг, посвященных физике транзисторов и / или проектированию транзисторных схем.

Теперь, когда у вас есть базовое представление о биполярных и полевых транзисторах, давайте применим их, соединяя их в электронную схему.

Ключи транзисторные

Простое и распространенное использование транзистора — это включение и выключение светодиодного индикатора. На схеме ниже показано, как для этой цели можно использовать биполярный транзистор NPN и транзистор NFET. Прямоугольный сигнал, показанный ниже, может быть выводом ввода / вывода, поступающим от микроконтроллера.

Многие микроконтроллеры могут подавать / потреблять ток в несколько миллиампер, поэтому в некоторых случаях можно просто подключить светодиод непосредственно к контакту ввода-вывода без необходимости в транзисторе.Но в случаях, когда вам нужен ток светодиода выше, чем может поддерживать ваш микроконтроллер, вы должны использовать транзисторный переключатель.

Рисунок 3 — Транзисторные переключатели драйвера светодиода

Когда прямоугольный сигнал (управляющее напряжение) высокий, тогда Q1 (биполярный NPN) и Q2 (NFET) оба полностью включены и выглядят как замкнутый переключатель. Это позволяет току течь через каждый светодиод. Резисторы, включенные последовательно со светодиодами, используются для установки уровня тока, который течет, когда транзисторы закрыты.

Обратите внимание на резистор (R4) в базе транзистора NPN. Такой базовый резистор требуется на биполярном транзисторе, чтобы ограничить ток и предотвратить повреждение. Помните, что переход база-эмиттер на биполярном транзисторе — это просто диод.

Как вы, наверное, уже знаете, для диода требуется резистор, ограничивающий ток, и это верно и для биполярных транзисторов. Напряжение на переходе база-эмиттер очень близко к 0,7 В, поэтому, если вы попытаетесь подать 5 В на этот переход (без базового резистора), это приведет к серьезным повреждениям.

Преобразователи транзисторные

Инвертор — одна из самых простых схем, которые вы можете спроектировать. Инвертор принимает 0 и превращает его в 1 или наоборот. Мы собираемся рассмотреть возможность использования только полевых транзисторов для создания инвертора.

Схема, показанная на рисунке 4, состоит всего из двух инверторов. Первый инвертор состоит из Q1 и R1, а второй инвертор использует Q2 и Q3. Q1 и Q3 — это полевые транзисторы, а Q2 — полевые транзисторы.

Если затвор NFET высокий (по сравнению с его выводом истока), то транзистор полностью открыт и выглядит как замкнутый переключатель.Когда затвор низкий, то полевой транзистор полностью выключен и выглядит как разомкнутый переключатель.

PFET — это как раз наоборот. Если затвор низкий, то включается PFET. Если он высокий, значит, он выключен. Для PFET источник, вероятно, будет привязан к положительному источнику питания.

Рисунок 4 — Цифровые инверторы на полевых транзисторах

Когда V1 равен нулю, Q1 выключен и выглядит как разомкнутая цепь; это означает, что напряжение в узле V2 подтягивается до напряжения питания наверху через резистор R1, потому что теперь Q1 выключен.Если V1 высокий, теперь Q1 полностью включен, что подтягивает V2 к земле.

Итак, если V1 равен нулю, V2 равен единице. Если V1 равен единице, то V2 равен нулю. Это инвертор.

Однако лучший способ сделать инвертор — это заменить верхний резистор (R1) на полевой транзистор. Проблема с использованием резистора для функции подтягивания заключается в том, что подтягивающий ток будет довольно небольшим. Небольшой подтягивающий ток означает, что выходной сигнал инвертора будет медленно изменяться от нуля до единицы.

Отклик этого первого инвертора будет асимметричным.Он очень быстро потянет узел V2 вниз через Q1, но будет намного медленнее поднимать V2 на высокий уровень. Эта проблема устраняется использованием PFET вместо резистора для этой подтягивающей функции.

Для инвертора NFET / PFET (Q2 и Q3), когда его входное напряжение (V2) низкое, NFET полностью выключен, а PFET полностью включен. Таким образом, выходное напряжение (V3) будет высоким.

С другой стороны, если V2 высокий, теперь PFET выключен, а NFET включен, поэтому V3 понижается.Вы вставляете единицу, получаете ноль. Вы ставите ноль, вы получаете единицу. Он выполняет ту же функцию, что и Q1 и R1, но с симметричным временем нарастания и спада на выходе.

Схема биполярного транзистора

Наконец, мы рассмотрим схему с биполярным транзистором или, в частности, NPN.

Рисунок 5 — Простая схема NPN

Как ранее обсуждалось в уравнении 2, бета — это коэффициент усиления по току для биполярного транзистора.Например, если Beta равно 100, а ток базы равен 1uA, это означает, что ток коллектора будет 100uA, а ток эмиттера будет 101uA.

Для схемы, показанной на рисунке 5, ток, протекающий через R1 в базу, усиливается бета-версией, а затем течет через R2.

Если вы хотите рассчитать выходное напряжение этой цепи, первым делом необходимо вычислить базовый ток. Для этого вам нужно найти падение напряжения на R1, а затем использовать закон Ома для расчета тока.Левая сторона R1 связана с напряжением питания, а правая сторона идет к основанию NPN.

Помните, переход база-эмиттер биполярного транзистора — это просто диодный переход с напряжением приблизительно 0,7 В. Итак, чтобы рассчитать базовый ток, вы должны использовать следующее уравнение:

I

_B = (VS1 — 0,7 В) / R1

Чтобы вычислить ток коллектора, вы просто умножаете ток базы на бета-коэффициент транзистора, как ранее было показано в уравнении 2.

Ток, протекающий через резистор R2, равен току коллектора транзистора. Чтобы рассчитать выходное напряжение этой схемы, вам теперь нужно рассчитать падение напряжения на R2 и просто вычесть его из положительного напряжения питания:

В

_выход = VS1 — (I _C * R2)

Это действительно простая схема, не имеющая большого практического применения, но она знакомит вас с некоторыми основами биполярных транзисторов.

Заключение

Эта статья познакомила вас с самыми основными концепциями схем на активных транзисторах.Типы схем, которые могут быть построены с использованием транзисторов, действительно захватывают дух. Транзисторы лежат в основе любого электронного устройства.

При этом, с момента изобретения интегральной схемы (ИС) потребность в разработке сложных дискретных транзисторных схем снизилась в основном до инженеров, разрабатывающих микросхемы ИС.

Тем не менее, все еще существует потребность в базовом понимании транзисторов, и во многих конструкциях будет использоваться несколько дискретных транзисторов. Но в большинстве проектов сейчас для любых сложных функций используются интегральные схемы вместо дискретных транзисторных схем.

Если вы не планируете стать проектировщиком микросхем, вам, скорее всего, потребуется только вводное понимание транзисторных схем.

Если вам понравилась эта статья, поделитесь ею или если у вас есть вопросы, просто оставьте комментарий ниже, и я отвечу на ваши вопросы.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатный PDF-файл : Ultimate Guide по разработке и продаже нового электронного оборудования . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который может вам понравиться:

Биполярные транзисторы с гетеропереходом

для схемотехники: микроволновое моделирование и извлечение параметров

Содержание

Об авторе ix

Предисловие xi

Благодарности xiii

Благодарности (список источников) xv

Номенклатура xvii

1 Введение 1

junction 1.2 Моделирование и измерения для HBT 5

1.3 Структура этой книги 7

Ссылки 7

2 Базовая концепция моделирования микроволновых устройств 9

2.1 Параметры сигнала 10

2.1.1 Низкочастотные параметры 11

2.1 .2 S-параметры 16

2.2 Представление зашумленной двухпортовой сети 21

2.2.1 Матрица шума 21

2.2.2 Параметры шума 24

2.3 Элементы базовой схемы 25

2.3.1 Сопротивление 25

2.3.2 Емкость 26

2.3.3 Индуктивность 29

2.3.4 Управляемые источники 31

2.3.5 Идеальная линия передачи 34

2.4 Сети π- и T-типа 37

2.4.1 Сеть T-типа 37

2.4.2 Сеть π-типа 39

2.4.3 Взаимосвязь между сетями π- и T-типа 40

2.5 Метод деэмбеддинга 43

2.5.1 Параллельная деэмбеддинг 43

2.5.2 Серия Дебеддинг 44

2.5.3 Каскадное отключение 45

2.6 Основные методы извлечения параметров 46

2.6.1 Определение емкости 46

2.6.2 Определение индуктивности 47

2.6.3 Определение сопротивления 49

2.7 Резюме 50

Ссылки 50

3 Методы моделирования и извлечения параметров биполярного переходного транзистора 51

3.1 PN переход 52

3.2 PN переходный диод 55

3.2.1 Базовая концепция 55

3.2.2 Модель эквивалентной схемы 59

3.2.3 Определение параметров модели 65

3.3 Физическая работа BJT 67

3.3.1 Структура устройства 68

3.3.2 Режимы работы 70

3.3.3 Базовая модуляция 75

3.3.4 Высокая инжекция и скопление тока 77

3.4 Эквивалентная модель схемы 78

3.4.1 Модель E – M 78

3.4.2 Модель G – P 83

3.4.3 Модель шума 86

3.5 Характеристики СВЧ 87

3.5.1 Частота перехода 88

3.5.2 Конфигурация с общим эмиттером 90

3.5.3 Конфигурация с общей базой 91

3.5.4 Конфигурация с общим коллектором 92

3.5.5 Резюме и сравнения 93

3.6 Резюме 94

Ссылки 94

4 Основной принцип HBT 95

4.1 Полупроводниковый гетеропереход 96

4.2 HBT Device 101

4.2.1 GaAs HBT 102

4.2.2 InP HBT 110

4.3 Резюме 115

Ссылки 115

5 Моделирование слабых сигналов и извлечение параметров HBT 117

5.1 Модель цепи малых сигналов 118

5.1.1 Структура контактной площадки 118

5.1.2 Модель схемы Т-типа 120

5.1.3 Модель схемы π-типа 122

5.1.4 Одностороннее усиление мощности 124

5.1.5 fT и fmax 126

5.2 Структура устройства HBT 127

5.3 Метод извлечения емкостей PAD 128

5.3.1 Метод открытой структуры теста 128

5.3.2 Метод отщипывания 129

5.4 Метод извлечения внешней индуктивности 132

2 Метод с открытым коллектором 134

5.5 Метод извлечения внешнего сопротивления 137

5.5.1 Метод Z-параметра 137

5.5.2 Метод холодного HBT 138

5.5.3 Метод с открытым коллектором 143

5.6 Метод извлечения внутреннего сопротивления 146

5.6.1 Метод прямого извлечения 146

5.6.2 Гибридный метод 154

5.7 Метод полуанализа 159

5.8 Резюме 163

Ссылки 166

6 Моделирование эквивалентной цепи с большим сигналом HBT 169

6.1 Линейные и нелинейные 170

6.1.1 Определение 170

6.1.2 Нелинейные сосредоточенные элементы 172

6.2 Большой сигнал и слабый сигнал 177

6.3 Тепловое сопротивление 177

6.3.1 Определение 179

6.3.2 Модель эквивалентной схемы 183

6.3.3 Определение теплового сопротивления 187

6.4 Нелинейное моделирование HBT 194

6.4.1 Модель VBIC 194

6.4.2 Модель Agilent 197

6.4.3 Метод макромоделирования 202

6.5 Резюме 204

Список литературы 204

7 Метод микроволнового моделирования шума и извлечения параметров для HBT 207

7.1 Модель схемы эквивалентного шума 208

7.2 Получение параметров шума 210

7.3 Методы извлечения параметров шума 219

7.3.1 Метод извлечения на основе тюнера 220

7.3.2 Параметры шума на основе измерения коэффициента шума 222

7.4 Общие Конфигурации базы, эмиттера и коллектора 230

7.4.1 Взаимосвязь параметров сигнала 231

7.4.2 Взаимосвязь параметров шума 236

7.5 Сводка 243

Ссылки 243

8 Моделирование SiGe HBT и извлечение параметров 245

.1 Введение 245

8.2 Модель слабого сигнала 246

8.3 Модель большого сигнала 251

8.3.1 HICUM 251

8.3.2 Модель эквивалентной схемы MEXTRAM 253

8.4 Резюме 255

Ссылки 255

Индекс 000

(PDF) Оценка и анализ характеристик нелинейных биполярных транзисторов при высоких температурах с использованием MATLAB

13

[9] AT Bryant, MR Jennings, N.-A. Паркер-Аллотей, П.А.Моби, А.

Perez-Tomas, P. Brosselard, P. Godignon, X. Jorda, J. Millan, PR

Palmer, E. Santi, and JL Hudgin, «Физическое моделирование больших

диодов 4H-SiC PiN», в Proc. IEEE Energy Convers. Congr.

Expo., 2009, с. 986–993.

[10] TK Gachovska, B. Du, JL Hudgins, A. Grekov, A. Bryant, E.

Santi, HA Mantooth и A. Agarwal, «Моделирование и симуляция

SiC BJT», в Proc. IEEE Energy Convers.Congr. Экспо., 2009,

с. 979–985.

[11] Я. Рабковски, Г. Толстой, Д. Пефтицис, Х.-П. Нее. Низкие потери

высокопроизводительный базовый привод для SiC BJT. Power Electronics,

IEEE Transaction on, 27 (5): 2633–2643, май 2012 г.

[12] Д. Кранцер, Б. Бургер, Н. Наварро и О. Сталтер. Применение SiC-транзисторов

в фотоэлектрических инверторах. Форум по материаловедению,

615-617: 895–898, 2009.

[13] D.Кранцер, Ф. Райнерс, К. Вильгельм и Б. Бургер. Система

усовершенствований фотоэлектрических инверторов на SiC-транзисторах.

Форум по материаловедению, 645–648: 1171–1176, 20010.

[14] Р. Ганди, Б. Буоно, М. Домей, К. Зеттерлинг и М. Остлинг.

Высоковольтные (2,8 кВ) 4H-SiC BJT без имплантации с длительной стабильностью коэффициента усиления по току

. Electron Devices, IEEE

Transactions on, 58 (8): 2665–2669, авг.2011.

[15] А. Линдгрен и М. Домей. Быстрое переключение 1200 В, 50 А, карбид кремния

BJT в повышающих преобразователях. In Power Electronics and

Applications (EPE 2011), Proceedings of the 2011-14th European

Conference on, стр. 1–8, 30 сентября 2011 г. 1 2011.

[16] Т. Хаяси, К. Асано, Дж. Суда и Т. Кимото. Зависимости температуры и уровня впрыска

и влияние термического окисления на время жизни носителей

в эпитаксиальных слоях 4H-SiC p-типа и n-типа.Журнал

Прикладная физика, 109 (1): 014505, 2011.

[17] Т. Кимото Т. Хиёси. Уменьшение глубоких уровней и увеличение срока службы носителей

в 4H-SiC n-типа путем термического окисления. Applied

Physics Express, 2 (4): 041101, 2009.