Биполярного транзистора обозначение: Маркировка транзисторов — системы обозначений — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Транзисторы (полевые, биполярные) — обозначение, типы, применение

электрика, сигнализация, видеонаблюдение, контроль доступа (СКУД), инженерно технические системы (ИТС)

Транзистор был изобретен в 50-х годах прошлого века, его появление произвело настоящий фурор — достаточно сказать, что его изобретатели получили Нобелевскую премию.

Здесь будут рассмотрены основные типы транзисторов, принцип их работы в объеме, соответствующем основам схемотехники, поскольку начинающим тонкости работы транзистора на электронно — молекулярном уровне, на мой взгляд, ни к чему.

Технология изготовления транзисторов определяет основные их типы:

биполярные,
полевые.

Кроме того, каждый из перечисленных типов можно классифицировать по типу проводимости, определяемой материалами, комбинациями (сочетаниями) полупроводников, используемых при их производстве.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Принцип действия, условные обозначения биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника, называемых «база» (Б), «коллектор» (К), «эмиттер» (Э). Ток, протекающий через переход база — эмиттер (Iб) вызывает изменения сопротивления зоны эмиттер — коллектор, соответственно изменяется ток коллектора Iк, причем его значения больше нежели базового. Это основной принцип работы биполярного транзистора, его практические приложения рассмотрим позже.

Поскольку материал транзистора полупроводник, то ток может протекать только в одном направлении, определяемом типом перехода. Соответственно этим определяется полярность подключения (тип проводимости) транзистора (прямая — p-n-p, обратная — n-p-n. Вот, собственно, вся теория, которая Вам первоначально необходима.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор имеет несколько иную конструкцию. Замечу — это достаточно простой вариант, но для понимания принципа действия полевого транзистора вполне подходит.

Принцип действия, условные обозначения полевого транзистора.

Выводы здесь называются «затвор» (З), «сток» (С), «исток» (И). Сток — исток соединены между собой зоной полупроводника, называемой каналом. Сопротивление этого канала зависит от величины напряжения, приложенного к затвору, значит ток, протекающий от истока к стоку (Iс) зависит от напряжения между затвором и истоком.
В зависимости от проводимости кристалла различают полевые приборы с p каналом и n каналом.

ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

Область применения транзисторов определяется не только их типом, но также характеристиками конкретного прибора, однако можно выделить два основных режима работы:

динамический — при нем любое входного сигнала вызывает соответствующее изменение выходного. Иначе этот режим называют усилительным.
ключевой — при этом режиме транзистор или полностью открыт или полностью закрыт. В идеале, переходные процессы между этими состояниями должны отсутствовать. Ключевой режим позволяет применять транзистор для управления значительными нагрузками при сравнительно слабых управляющих сигналах.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение.

Биполярные транзисторы, определение, вольт — амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше.

В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке.

Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона.

Принцип действия биполярного транзистора

Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет.

На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора.

Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (h

FE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора.

Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.

Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы

Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе.

На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость I_C от I_B в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА).

При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора.

В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают h_FE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока h_fe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что

h_fe=ΔI_C/ΔI_B.

Для большинства практических целей можно считать, что h_FE и h_fe равны.

Ток утечки между коллектором и базой

Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый I_CBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре I_CBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток I_CBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, I_CBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения I_CEO = h_FE/I_CBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток I_CBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда I_CBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С.

Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами I_CBO и I_CEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток I_CBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при h_FE = 100 ток I_CEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении.

n-p-n и p-n-p транзисторы

Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение.

Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.

Материалы по теме:
Усилитель напряжения на биполярном транзисторе
Транзисторы — режим насыщения

Структура, эквивалентная схема и графическое обозначение биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), принцип действия, преимущества и недостатки.

Структура IGBT

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — Insulated Gate Bipolar Transistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.

рис. 1. Условное обозначение IGBT

рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем (MOSFET-Metal-Oxid-Semiconductor-Field-Effect-Transistor) и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — полупроводниковые компоненты, которые являются гибридом МОП-транзистора и биполярного транзистора. Они имеют вертикальную структуру, которую мы уже встречали в предыдущих компонентах. IGBT является, по сути, биполярным /?-и-р-транзистором, ток на базу которого подаётся с паразитного полевого транзистора между коллектором и базой. На Рис. 7.32 изображена эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBT.-«-переход является последовательным диодом, блокирующим внутренний диод МОП-транзистора.

МОП-транзисторы имеют довольно большое сопротивление r_DS(ON) при номинальном напряжении выше 500 В. По этой причине сильно возрастают потери проводимости по сравнению с биполярными транзисторами с тем же номинальным напряжением. К тому же потери проводимости МОП-транзистора возрастают с ростом температуры в связи с увеличением сопротивления в открытом состоянии.

Слой р+ в IGBT инжектирует неосновные носители заряда в эпитаксиальный обеднённый слой n—, что улучшает проводимость области дрейфа и—. Этот эффект подобен эффекту, возникающему в биполярных транзисторах. Такая модуляция проводимости слоем р+ способствует тому, что падение напряжения на транзисторе в открытом состоянии относительно постоянно во всей области рабочих напряжений.

Рис. 7.32. Эквивалентная схема, учитывающая паразитные элементы внутри IGBT

Р-n-р-транзистор в IGBT полностью не насыщается, поэтому падение напряжения на нём в открытом состоянии никогда не бывает ниже падения напряжения на одном диоде и в типичных случаях составляет 1.0…3.0 В. Время запирания у IG ВТ намного лучше, чему биполярного транзистора, потому что в данном случае отсутствует накопление заряда, вызванное эффектом насыщения. Поток электронов в IGBT прекращается сразу же, как только снимается напряжение с затвора, но ток в дрейфовой области продолжает течь, пока не рекомбинируют все дырки. Базовый переход р-л-р-транзистора не имеет внешнего подключения, поэтому нет возможности создавать отрицательный ток базы, чтобы выводить из дрейфовой области неосновные носители заряда в процессе запирания. Вследствие этого при запирании возникает небольшой остаточный ток.

достоинства IGBT
1. при использовании на рабочее напряжение свыше 300v IGBT — дешевле
2. IGBT — имеют более высокую крутизну — нужно меньше энергии для их открывания/закрывания
3. IGBT-имеют меньше значение паразитных емкостей
4. IGBT-более радиационностойкие

недостатки IGBT
1. MOSFET — в открытом состоянии как резистор, который может быть очень маленьким, например, 1mOhm и при токе в 100А через него рассеиваемая мощность будет всего 10Watt, на IGBT при таком токе падение напряжения будет минимум 2v поэтому рассеиваемая мощность будет 200Watt.-сравни 10W и 200W
2. IGBT — может работать только в импульсном режиме включено/выключено и не может работать в линейном режиме как MOSFET
3. IGBT — имеет более высокие коммутационные потери чем MOSFET и не может работать на таких же высоких частотах как MOSFET
4. IGBT — менее надёжен— менее устойчив к перегрузкам по току и напряжению по сравнению с MOSFET, -при перегрузках по току и в случае лавинного пробоя в IGBT выделяется большая мощность при меньшем размере кристала и следовательно меньшим запасом теплоёмкости, не все IGBT в отличие от MOSFET могут работать в режиме лавинного пробоя(ораничения выходного напряжения), IGBT — более подвержены к выходу из строя из-за термоциклирования, IGBT — менее помехоустойчивые.

Биполярный транзистор: разработка и принцип действия

Биполярный транзистор – это электрический полупроводниковый прибор, служащий для усиления сигнала и ряда прочих целей, в котором ток образуется движением носителей обоих знаков. В нынешнем виде изделие предложено и запатентовано в 1947 году Уильямом Шокли.

История разработки первых транзисторов

Склонности передаются по наследству, это видно на примере Уильяма Брэдфорда Шокли. Сын горного инженера и одной из первых в США женщины-геодезиста. Специфичное сочетание. В 22 года получил степень бакалавра, не остановился на достигнутом, и в 1936-м становится доктором философии. Звание, присуждённое Массачусетским институтом технологии, не означает, что Шокли изучал Ницше и Аристотеля. Степень говорит о наличии диссертации в области из большого перечня наук. Диковинное название – дань традиции, когда философия в средние века занималась широким спектром вопросов, по праву считаясь прародителем прочих направлений хода учёной мысли.

Лаборатория Белла

Смысл работы состоял в исследовании электронных уровней хлорида натрия. Зонная теория, объяснявшая процессы, происходившие в материалах, как раз набирала популярность. Согласно воззрениям теории, любой электрон в кристалле способен занимать уникальное, свойственное исключительно указанной частице, состояние с определённой энергией и направлением спина. Сообразно представлению градации идут с некоторой дискретностью в валентной зоне (связанные с ядром), вдобавок присутствует запрещённая область, где частицы располагаться не вправе. Из последнего тезиса исключением считаются примесные полупроводники, ставшие базисом для создания твердотельной электроники, включая биполярные транзисторы.

В Лаборатории Белла Шокли попал за любопытные идеи в области конструирования ядерных реакторов. Уран в чистом виде открыт задолго до этого, впервые на примере элемента Беккерель обнаружил радиоактивность. Бомбардировать нейтронами ядра металла пробовал в начале 30-х годов (XX века) Энрико Ферми, преследовалась цель – получить трансурановые элементы. Позднее оказалось доказано, что одновременно происходит радиоактивный распад с выделением вовне энергии. Шокли задумал бомбардировать U-235, чтобы получить новый источник большой мощности. В ходе Второй мировой войны занимался исследования по оценке возможного сухопутного вторжения Японии, собранные данные во многом способствовали решению Трумэна сбросить атомную бомбу на Хиросиму.

Лаборатория Белла поставила перед Шокли прямую задачу – отыскать альтернативу громоздким ламповым усилителям. Это означало бы экономию места и появление на свет нового поколения приборов, способных функционировать в условиях войны. Не секрет, что боевые заслуги СССР оказались по достоинству оценены на противоположной стороне океана. Шокли назначили менеджером бригады, бившейся над задачей, куда среди прочего входили создатели первого точечного транзистора:

Джон Бардин;
Уолтер Хаузер Браттейн.

Читатели уже знают про точечный диод на базе кристаллического детектора, но что представлял транзистор? Это полевой прибор: два электрода приложены к области полупроводника p-типа и разделены диэлектрическим клином. Толщина запирающего слоя варьируется с базы. Управляющий электрод, приложенный к n-области под положительным потенциалом сильно обедняет область перехода, и ток не течёт. Исторически первым транзистором считается полевой.

Конструкция оказалась специфичной. К примеру, контактные площадки из золота прижаты пружиной к германиевому кристаллу p-n-перехода, больше напоминают лабораторную установку, нежели полнофункциональный прибор для военной техники. Собрано — при помощи канцелярских скрепок и ядовитого клея-электролита. Но прибор в будущем даст название Силиконовой Долине. Между учёными произошёл раздор, потому что теория поля Шокли, применяемая в транзисторе, не помогла созданию прибора, вдобавок упоминалась в канадском патенте Лилиенфельда 1925 года. В результате Лаборатория Белла выкидывает имя Уильяма из списка создателей при оформлении бумаг.

Примечательно, что структура MESFET (полевой транзистор), предложенная Лилиенфельдом, не функционировала. Но заложенные идеи в бюро приняли, и у Лаборатории Белла возникли сложности с подачей заявок. Парадокс, но учёные могли запатентовать лишь дизайн Бардина и Браттейна – ничего более. Остальное давно уже существовало в виде концепции на момент 1946 года. Шокли решил, что судьба сыграла с изобретателем очередную шутку после всех неудач. Однако компания Белла идёт на всяческие уступки, и общепринято, что Уильям фигурирует для прессы в качестве первого лица.

Уильям Брэдфорд Шокли

Шокли начинает трудиться над собственным направлением, попутно пытаясь исправить ситуацию. Последнее не даёт положительных результатов, зато первое приводит к созданию прибора, сегодня известного миру под именем биполярного транзистора. Перебирая ряд конструкций, 1 января 1948 года находит правильную, но не сразу осознает. Впоследствии к Шокли приходит идея, что ток образуется не только основными носителями заряда.

Принцип действия биполярного транзистора, температурные режимы

Изложенная Шокли концепция приводит коллектив в неистовство: годами работал за спиной коллег! Но идея оказалась удачной. Если толщина полупроводника базы мала, инжектированные неосновные носители заряда частично захватываются полем коллектора. Там они уже становятся основными, участвуют в создании электрического тока. Процесс управляется полем базы, количество прорвавшихся носителей заряда пропорционально приложенному напряжению.

Фактически p-n-переход коллектора работает в режиме пробоя. Температурные режимы целиком определяются материалами. Германиевые транзисторы не способны функционировать при температуре выше 85 градусов Цельсия, причём единожды превысив справочное значение, последующим охлаждением прибору не вернёшь работоспособности. Кремний выдерживает нагрев почти вдвое больший. Нередки экземпляры транзисторов, способные функционировать при 150 градусах Цельсия, но минус в сравнительно большом падении напряжения на p-n-переходе.

Транзистор биполярный

Выходит, конструктор подыскивает для создания электрической схемы наиболее подходящие транзисторы согласно имеющимся условиям. Проводится расчёт рассеиваемой мощности, при необходимости элементы дополняются массивными радиаторами. Предельная температура подбирается с изрядным запасом, чтобы исключить перегрев. Полупроводники обладают явным сопротивлением, используются в технике исключительно для решения специфических задач. К примеру, при создании p-n-перехода. В остальном, чем толще слой материала, тем большие возникают потери на активном омическом сопротивлении. Приведём наглядный пример: удельное сопротивление германия превышает значение аналогичного параметра меди (металл) в 30 млн. раз. Следовательно, потери вырастут (и нагрев) сообразно указанной цифре.

Итак, слой полупроводника мал. Как это реализовать на практике? Забудем временно про канцелярские скрепки, использованные в первой конструкции, обратимся к современной технологии. При изготовлении биполярного транзистора выдерживаются закономерности:

Материал эмиттера служит для инжектирования основных носителей в базу, где они окажутся захвачены полем. Поэтому используются полупроводники с большой удельной долей примесей. Этим обеспечивается создание большого количества свободных носителей (дырок или электронов). Объем коллектора чуть выше, нежели у эмиттера, мощность рассеивания предполагается больше. Это влияет на условия охлаждения прибора.
В базе концентрация примесей меньше, чтобы большая часть инжектированного потока не рекомбинировала. Доля сторонних атомов в кристаллической решётке минимальная.
Коллектор по доле примесей располагается посередине между базой и эмиттером. Прорвавшиеся сюда носители заряда обязаны рекомбинировать. Различие в концентрациях примесей становится причиной, почему нельзя коллектор и эмиттер в электрической схеме прибора поменять местами. Второй причиной считается факт, что площади p-n-переходов неодинаковы. Со стороны коллектора – больше.

Действие транзистора

От доли примеси зависит ширина запирающего слоя p-n-перехода (с увеличением растёт). Причём проникновение его в эмиттер, коллектор и базу неодинаково. На минимальную глубину запирающий слой простирается в материал с максимальной долей примесей. То есть, эмиттер. Германиевые биполярные транзисторы уходят в прошлое, на замену приходят кремниевые и на основе арсенида галлия. Сегодня доминируют две технологии производства полупроводниковых приборов, выделяют:

Сплавные транзисторы производятся, к примеру, вплавлением в тонкую пластинку германия (по большей части изготавливаются из указанного материала) двух капель индия различных по величине. Материалы показывают различную температуру ликвидуса, становится возможен процесс обработки в печах. За счёт диффузии атомов индий прочно вплавляется в германий (температура плавления 940 градусов Цельсия). Потом к эмиттеру, коллектору и базе припаиваются электроды.
Планарные транзисторы наиболее близки к первоначальной идее Шокли, его приборы как раз назвали плоскими. В отличие от известных прежде. На плоскую подложку разнообразными методами наносятся нужные слои. Активно применяются маски различных конфигураций для создания рисунков. Преимущество в возможности массового изготовления транзисторов на единой подложке, потом она нарезается кусками, каждый становится обособленным полупроводниковым прибором.

В ходе описанных выше технологических манипуляций активно используются ступени производственного цикла:

Метод диффузии позволяет точно контролировать геометрические размеры p-n-перехода, что обусловливает лучшую повторяемость характеристик и точность. Для создания транзистора полупроводник в атмосфере «благородного» газа нагревается до точки ликвидуса, парящие вокруг примеси легко оседают на поверхности. Происходит диффузия. Дозировкой парциального давления паров примесей и продолжительности операции варьируется глубина проникновения атомов в основной материал (подложку). Иногда диффузия возникает в процессе сплавления. Момент определяется точным подбором температурного режима.
Эпитаксией называют процесс роста кристалла нужного типа на подложке. Осаждение может происходить из раствора или газа. К этому классу технологий относится и вакуумное напыление, электролиз стоит чуть обособленно, основанный на принципе наращивания слоёв под действием тока.
Для получения заданной маски часто применяют методики литографии. К примеру, на подложку наносится фоторезист, островки которого исчезают под действием проявителя. Формирующее излучение фильтруется маской из непрозрачного материала. Процесс фотолитографии напоминает знакомый каждому профессиональному фотографу, самостоятельно ведущему обработку плёнки.

В справочниках часто указываются два и более ключевых термина, характеризующих производственный цикл биполярного транзистора.

Обозначения транзистора

Система обозначений транзисторов

На полупроводниковые приборы выпущен ОСТ 11-0948, устанавливающий нормы и для биполярных транзисторов. На первом месте указывается материал, определяющий во многом температурные режимы работы и параметры, потом цифровая маркировка, определяющая мощность, частоту и прочие качества биполярного транзистора. Среди основных параметров в справочниках фигурируют вольт-амперная характеристика и коэффициент усиления по току.

Транзисторы биполярные. Метод измерения граничного напряжения – РТС-тендер

ГОСТ 18604.19-88
(СТ СЭВ 6038-87)*
______________________
* Обозначение стандарта.
Измененная редакция, Изм. N 1.

Группа Э29

ОКП (ОКСТУ) 62 2312 (6220)

Срок действия с 01.07.89
до 01.07.94*
_______________________________
* Ограничение срока действия снято
постановлением Госстандарта СССР от 29.05.91 N 760
(ИУС N 8, 1991 год). — Примечание изготовителя базы данных.

1. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 28.03.88 N 809

2. Стандарт полностью соответствует Публикации МЭК 147-2

3. ВЗАМЕН ГОСТ 18604.19-78

4. Срок проверки 1993 г., периодичность проверки 5 лет

5. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ


Обозначение НТД, на который дана ссылка	Номер пункта, подпункта
ГОСТ 18604.0-83	Вводная часть

ВНЕСЕНО Изменение N 1, утвержденное и введенное в действие с 01.07.89 постановлением Госстандарта СССР от 26.10.88 N 3542

Изменение N 1 внесено изготовителем базы данных по тексту ИУС N 2, 1990 год

Настоящий стандарт распространяется на биполярные транзисторы и устанавливает метод измерения граничного напряжения .

Общие требования при измерении и требования безопасности — по ГОСТ 18604.0-83.

Стандарт полностью соответствует СТ СЭВ 6038-87.

(Измененная редакция, Изм. N 1).

1.1. Измерение граничного напряжения биполярного транзистора заключается в определении напряжения между выводами коллектора и эмиттера при заданном токе коллектора и при токе базы, равном нулю.

1.2. Ток коллектора, ток базы в режиме насыщения, индуктивность в цепи коллектора (или длительность импульса тока коллектора), частоту импульсов генератора тока базы (если частота отличается от промышленной), температуру окружающей среды (при необходимости температуру корпуса) указывают в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.

2.1. Граничное напряжение следует измерять на установке, электрическая структурная схема которой приведена на черт.1.

— генератор импульсов тока базы; — измеряемый транзистор; — резистор; — генератор тока коллектора; — импульсный измеритель напряжения; — ограничитель напряжения; — осциллограф

Черт.1

2.2. Полярность включения элементов указана на схеме для n-p-n транзисторов. Для р-n-р транзисторов полярность должна быть обратной.

2.3. Граничное напряжение измеряют осциллографом или импульсным измерителем напряжения. При использовании осциллографа напряжение на измеряемом транзисторе определяют по отклонению луча по оси , а ток — по отклонению луча по оси .

Импульсный измеритель напряжения используют вместо осциллографа при применении в качестве генератора импульсного генератора тока коллектора.

Входное сопротивление () осциллографа по оси и импульсного измерителя напряжения должно удовлетворять условию

где — максимальное значение граничного напряжения, которое может быть измерено на установке;

— ток коллектора.

2.4. Основная погрешность измерительной установки в диапазоне измеряемых значений не должна выходить за пределы ±10% для осциллографов и аналоговых импульсных измерителей и ±5% измеряемого значения ±2 знака младшего разряда дискретного отсчета для цифровых измерителей напряжения.

2.5. Генератор тока коллектора должен обеспечивать заданный в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов ток как в режиме насыщения, так и в режиме, соответствующем граничному напряжению.

2.6. Электрическая структурная схема генератора тока коллектора приведена на черт.2 и 3.

— измеряемый транзистор; , — резисторы; — дроссель; — источник питания

Черт.2

— измеряемый транзистор; — резистор; — генератор импульсов тока коллектора

Черт.3

2.7. Минимальное значение индуктивности дросселя () указывают в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов или вычисляют по формуле

где — длительность измерительного импульса;

— минимальное значение граничного напряжения, которое может быть измерено на данной установке.

2.8. Активное сопротивление дросселя () должно удовлетворять условию

2.9. Напряжение источника питания () должно удовлетворять условию

где — максимальное напряжение насыщения коллектор-эмиттер измеряемого транзистора, указанное в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.

2.10. Сопротивление резистора () должно удовлетворять условию

2.11. Сопротивление генератора импульсов тока коллектора () должно удовлетворять условию

2.12. При использовании генератора импульсов тока коллектора измерение граничного напряжения проводится в схеме, в которой базовый вывод транзистора отключен. При этом генератор отключен.

2.13. Генератор импульсов тока базы должен обеспечивать ток базы , необходимый для вхождения измеряемого транзистора в область насыщения.

2.14. Сопротивление генератора импульсов тока базы должно удовлетворять условию

2.15. Сопротивление резистора () должно удовлетворять условию

При использовании осциллографа для удобства отсчета рекомендуется выбирать =1 Ом.

Резистор выбирают с допускаемым отклонением сопротивления от номинального ±1%.

2.16. Ограничитель напряжения служит для обеспечения режима измерения в области безопасной работы транзистора.

Уровень ограничения указывают в стандартах или в технических условиях на транзисторы конкретных типов.

Электрическая структурная схема ограничения приведена на черт.4.

— разделительный диод; — источник питания

Черт.4

Допускается проведение измерения без ограничителя напряжения.

2.17. Разделительный диод должен быть рассчитан на обратный ток, который в 10 раз меньше заданного измерительного тока.

2.18. Источник питания должен обеспечивать пределы регулировки напряжения от до .

3.1. Измеряемый транзистор должен быть включен в схему измерения. Устанавливаемый режим по току базы должен обеспечивать вхождение транзистора в режим насыщения.

Ток базы () должен удовлетворять условию

где — минимальное значение статического коэффициента передачи тока, указанное в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.

В технически обоснованных случаях допускаются другие соотношения и . При этом значение указывают в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.

3.2. При использовании схемы с индуктивностью в цепи коллектора измеряемый транзистор в исходном состоянии должен находиться в режиме насыщения.

В момент окончания импульса базового тока коллекторный ток поддерживается за счет э.д.с. самоиндукции в индуктивности цепи коллектора и напряжение коллектор-эмиттер возрастает до значения (или до напряжения ограничения , если ).

Измерение напряжения и тока транзистора должно производиться по экрану осциллографа.

На заданном уровне тока коллектора следует определить граничное напряжение по вольтамперной характеристике, приведенной на черт.5.

Черт.5

Максимальное значение тока коллектора при напряжении устанавливают по осциллографу в пределах , где — значение тока коллектора, при котором задано .

Транзистор считают годным, если значение напряжения, измеренное в точке на уровне заданного тока коллектора, не менее значения , заданного в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.

3.3. При использовании ограничителя напряжения в процессе переключения транзистора напряжение между выводами коллектора и эмиттера измеряемого транзистора должно ограничиваться на заданном уровне и может не достигать значения , если .

Транзистор считают годным, если траектория движения луча на экране осциллографа (черт.6) на участке от точки к точке в процессе уменьшения тока коллектора соответствует заданному уровню ограничения . Допускается пересечение линии ВС при уровне тока меньше заданного значения.

Черт.6

3.4. При использовании схемы с генератором импульсов тока в цепи коллектора база измеряемого транзистора отключена, импульс от генератора тока подают между выводами коллектора и эмиттера.

Заданное значение тока устанавливают по экрану осциллографа в соответствии с п.3.2.

Значение граничного напряжения измеряют по экрану осциллографа или импульсным измерителем напряжения.

4.1. Показатели точности измерения граничного напряжения должны соответствовать установленным в стандартах или технических условиях на транзисторы конкретных типов.

4.2. Границы интервала (), в котором с установленной вероятностью 0,95 находится погрешность измерения, определяют по формуле

где — погрешность измерителя напряжения, по которому производится отсчет граничного напряжения;

— погрешность измерителя тока, протекающего в цепи коллектора транзистора;

— коэффициент влияния тока на напряжение, который равен

Для определения коэффициента измеряют при двух значениях тока коллектора: при и при . Тогда определяют

10 Классификация биполярных и полевых транзисторов

ТРАНЗИСТОРЫ

РАЗДЕЛ 5.

Классификация транзисторов по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам, ввиду исходного полупроводникового материала находят отражение в системе условных обозначений их типов. В соответствии с возникновением новых классификационных групп транзисторов совершенствуется и система их условных обозначений, которая на протяжении последних 15 лет трижды претерпевала изменения.

Система обозначений современных типов транзисторов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.038-77, введен в действие с 1978 г. Базируется на ряде классификационных признаков.

В основу системы обозначений положен семизначный буквенно-цифровой код.

1-й элемент

Буква – для транзисторов широкого применения.

Цифра – для приборов, используемых в устройствах специального назначения.

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью не более

1 Вт и максимальной рабочей частотой не более 30 МГц ___________________ 1

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью не более

1 Вт и максимальной рабочей частотой более 30 МГц,

но не более 300 МГц _________________________________________________ 2

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью не более

1 Вт и максимальной рабочей частотой более 300 МГц ____________________ 4

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью более

1 Вт и максимальной рабочей частотой не более 30 МГц ___________________ 7

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью более

1 Вт и максимальной рабочей частотой более 30 МГц,

но не более 300 МГц _________________________________________________ 8

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью более

1 Вт и максимальной рабочей частотой более 300 МГц ____________________ 9

4-й, 5-й, 6-й элементы – трехзначное число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов (каждый технологический тип может включать в себя один или несколько типов, различающихся по своим параметрам). Для обозначения порядкового номера разработки используются числа 101 до 999.

6-й элемент обозначает – буква, условно определяющая классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии (классификационная литера). Используются буквы русского алфавита от А до Я, кроме З, О, Ч.

Дополнительные элементы:

Буква С после 2-го элемента — для обозначения наборов в общем корпусе однотипных транзисторов (транзисторные сборки) не соединенных электрически.

Цифра, написанная через дефис после 7-го элемента — для обозначения безкорпусных транзисторов соответствует следующим модификациям конструктивного исполнения:

С гибкими выводами без кристаллодержателя (подложки) ___________________ 1

С гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке) ____________________ 2

С жесткими выводами без кристаллодержателя (подложки) __________________ 3

С жесткими выводами на кристаллодержателе (подложке) ___________________ 4

С контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без

выводов (кристалл) ____________________________________________________ 5

С контактными площадками на кристаллодержателе (подложке) и без

выводов (кристалл на подложке)_________________________________________ 6

Пример:

КТ2115А – 2 — для устройств широкого применения кремниевый биполярный маломощный (Рмах ≤ 1 Вт) высокочастотный (30 МГц < f гр. ≤ 300 МГц) номер разработки 115, группа А, безкорпусный с гибкими выводами на кристаллодержателе.

2П7235Г — для устройств специального назначения кремниевый полевой в корпусе, мощный (Рмах > 1 Вт), низкочастотный (f мах ≤ 30 МГц), номер разработки 235, группа Г.

ГТ4102Е — для устройств широкого применения германиевый, биполярный в корпусе, маломощный (Рмах ≤ 1 Вт), СВЧ (300 МГц ≤ f гр.), номер разработки 102, группа Е.

Экскурс в историю

У биполярных транзисторов, разработанных до 1964г. и выпускаемых до настоящего времени, условные обозначения состоят из 3-х элементов:

1-й элемент:

Буква П — характеризует класс биполярных транзисторов (от «полупроводники»).

Буквы МП — для транзисторов в корпусе, который герметизируется способом холодной сварки.

2-й элемент:

Одно, двух и трехзначное число определяет порядковый номер разработки и указывает: на подкласс транзистора по исходному полупроводниковому материалу, значениям допустимой рассеиваемой мощности и граничной (или предельной) частоты.

Германиевые маломощные низкочастотные транзисторы ________________от 1 до 99

Кремниевые маломощные низкочастотные транзисторы _____________ от 101 до 199

Германиевые мощные низкочастотные транзисторы ________________ от 201 до 299

Кремниевые мощные низкочастотные транзисторы _________________ от 301 до 399

Германиевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы _____ от 401 до 499

Кремниевые высокочастотные и СВЧ маломощные транзисторы ______ от 501 до 599

Германиевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы _________ от 601 до 699

Кремниевые высокочастотные и СВЧ мощные транзисторы __________ от 701 до 799

3-й элемент:

Буква определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Пример:

П29А – германиевый, маломощный, низкочастотный транзистор.

МП102 – кремниевый, маломощный, низкочастотный транзистор в холодносварном корпусе.

Начиная с 1964г. была введена новая система обозначений типов транзисторов (ГОСТ 10862-64 и ГОСТ 10862-72). Действовала до 1978г.

1-й элемент:

(исходный полупроводниковый материал)

Соединения германия_______________________________________________ Г или 1

Соединения кремния _______________________________________________ К или 2

Соединения арсенида галлия (для полевых транзисторов) ________________ А или 3

Соединения индия (пока в производстве транзисторов не используется) ____ И или 4

2-й элемент (подкласс транзисторов):

Биполярный _______________________________________________________ Т

Полевой __________________________________________________________ П

3-й элемент:

Девять цифр (1 — 9). Характеризуют подклассы биполярных и полевых транзисторов по значениям рассеиваемой мощности и граничной (или для полевых транзисторов мах рабочей) частоты.

Транзисторы маломощные (Р_МАХ≤ 0,3 Вт), низкочастотные (f ≤ 3 МГц)__________ 1

Транзисторы маломощные (Р ≤ 0,3 Вт), средней частоты (3 МГц < f ≤ 30 МГц) ___2

Транзисторы маломощные, высокочастотные (f > 30 МГц), СВЧ________________ 3

Транзисторы средней мощности (0,3 Вт< Р_МАХ≤ 1,5 Вт)_______________________ 4

Транзисторы средней мощности, средней частоты (3 МГц < f ≤ 30 МГц)_________ 5

Транзисторы средней мощности, высокочастотные, СВЧ_______________________ 6

Транзисторы большой мощности (Р_МАХ > 1,5 Вт), низкочастотные (f ≤ 3 МГц)____ 7

Транзисторы большой мощности средней частоты ____________________________ 8

Транзисторы большой мощности, высокочастотные и СВЧ _____________________ 9

4-й и 5-й элементы – порядковый номер разработки. Двузначное число от 01 до 99 (позднее и трехзначное число).

6-й элемент – квалификационная литера (буква от А до Я, кроме букв, по написанию совпадающих с числами О, Ч, З).

Дополнительные элементы обозначений

Для транзисторных сборок (после 2-го элемента обозначения) __________________ С

Для безкорпусных приборов цифры – модификация конструктивного

исполнения ____________________________________________________1, 2, 3, 4, 5, 6

Пример:

ГТ101А – для устройств широкого применения германиевый биполярный маломощный низкочастотный, в корпусе, номер разработки 01, группа А.

2Т399А

– кремниевый, для устройств широкого применения, биполярный, маломощный, СВЧ, в корпусе, номер разработки 99, группа А.

2Т399А-2 – кремниевый, для устройств широкого применения, биполярный, маломощный, СВЧ, безкорпусный с гибкими выводами на кристаллодержателе.

В системе условных обозначений типов транзисторов отображена очень важная информация: род исходного полупроводникового материала, рассеиваемая мощность, граничная частота, конструктивное исполнение, классификация по основному функциональному назначению.

Биполярные транзисторы в соответствии с основными областями применения подразделяются на 13 групп:

1. усилительные низкочастотные (f гр. < 30 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

2. усилительные низкочастотные с ненормированным коэффициентом шума.

3. усилительные высокочастотные (30 МГц < f гр. ≤ 300 МГц) с нормированным коэффициентом шума.

4. усилительные высокочастотные с ненормированным коэффициентом шума.

5. СВЧ усилительные (300 МГц < f гр.) с нормированным коэффициентом шума.

6. СВЧ усилительные с ненормированным коэффициентом шума.

7. усилительные мощные высоковольтные.

8. высокочастотные генераторные.

9. СВЧ генераторные.

10. переключательные маломощные.

11. переключательные мощные высоковольтные.

12. импульсные мощные высоковольтные.

13. универсальные.

Полевые транзисторы по своему назначению делятся на три группы: усилительные, генераторные, переключательные.

По виду затвора и способу управления проводимостью канала полевые транзисторы делятся на четыре группы:

1. с затвором на основе p-n перехода.

2. с изолированным затвором (МДП — транзисторы), работающие в режиме обеднения.

3. с изолированным затвором, работающие в режиме обогащения.

4. с двумя изолированными затворами, работающие в режиме обеднения.

Графическое обозначение полупроводниковых приборов

ГОСТ 2.730-73

Однопереходной транзистор с n – базой

Однопереходной транзистор с p – базой

Транзистор типа p – n – p

Транзистор типа n – p – n

Транзистор типа n – p – n с коллектором, электрически

соединенным с корпусом

Лавинный транзистор типа n – p – n

Полевой транзистор с каналом n – типа

Полевой транзистор с каналом p – типа

Полевой транзистор с изолированным затвором с выводом

от подложки обогащенного типа с p – каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором с выводом

от подложки обедненного типа с n – каналом

Полевой транзистор с изолированным затвором обогащенного

типа с n – каналом и с внутренним соединением подложки

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта — Память слепых и слабовидящих.

Полевой транзистор с двумя изолированными затворами

обедненного типа с n – каналом и с внутренним соединением

подложки и истока

»Биполярный транзистор

Биполярные транзисторы, имеющие 2 перехода, представляют собой полупроводниковые устройства с 3 выводами. Три терминала — эмиттер, коллектор и база. Транзистор может быть NPN или PNP. См. Схематические изображения ниже:

Обратите внимание, что направление стрелки эмиттера определяет тип транзистора. Полярность смещения и питания положительная для NPN-транзисторов и отрицательная для PNP-транзисторов. Транзистор в основном используется как усилитель тока.Когда на клемму базы подается слабый токовый сигнал, он усиливается в цепи коллектора. Это усиление тока называется HFE или бета и равно Ic / Ib.

Как и для всех полупроводников, напряжение пробоя является конструктивным ограничением. Существуют напряжения пробоя, которые необходимо учитывать для каждой комбинации клемм. то есть Vce, Vbe и Vcb. Однако Vce (напряжение коллектор-эмиттер) с открытой базой, обозначенное как Vceo, обычно вызывает наибольшее беспокойство и определяет максимальное напряжение цепи.

Также, как и для всех полупроводников, существуют нежелательные токи утечки, особенно Icbo, утечка через коллекторный переход; и Iebo, утечка эмиттерного перехода. Типичная кривая характеристики коллектора показана ниже:

Обратите внимание, что отрицательное напряжение коллектор-эмиттер говорит вам, что транзистор является PNP. Кроме того, выходной ток увеличивается с увеличением входного или базового тока и очень мало изменяется с напряжением коллектор-эмиттер.

Основными соображениями при выборе транзистора являются:
(a) Номинальное напряжение всех трех переходов
(b) Номинальная мощность и тепловое сопротивление
(c) Допустимая нагрузка по току и размер корпуса транзистора
(d) Токи утечки, в основном Icbo и Iebo
(e) Частотная характеристика и / или время переключения.
(f) Коэффициент усиления по току (HFE и hfe)
(g) Изменение температурных параметров.
(h) Сопротивление насыщению
(I) h-параметры для линейных приложений

Руководство по выбору малосигнальных биполярных транзисторов (BJT)

: типы, характеристики, применение

Малосигнальные биполярные переходные транзисторы (BJT) зависят от контакта между двумя различными типами полупроводников для переключения или усиления электронных сигналов и питания.Транзисторы используются почти в каждом современном электронном устройстве, а BJT часто реализуются как часть интегральной схемы.

Строительство

Производится много типов транзисторов, наиболее ощутимой разницей являются методы изготовления. Первый полезный транзистор, транзистор с биполярным переходом, был построен Bell Laboratories в 1950-х годах; он был назван так потому, что ток создается путем объединения положительных и отрицательных зарядов. Биполярные транзисторы состоят из трех «зажатых» кусков полупроводникового материала, но все полупроводниковые материалы имеют либо P-тип (положительный), либо N-тип (отрицательный).Таким образом, существует две основные конфигурации для BJT: тип NPN и тип PNP. Полярность тока и напряжения для PNP-транзистора противоположна полярности NPN-транзистора, но в остальном эти две конфигурации ведут себя одинаково.

Изображение предоставлено: Geyosoft

Наиболее распространенные полупроводниковые материалы включают кремний (Si) и германий (Ge). Также используются комбинации полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия (GaAs). С 2013 года обширные исследования графена как полупроводникового материала могут дать новое поколение транзисторов.

Операция

Двухполюсные устройства, такие как диоды и резисторы, имеют одно значение напряжения и одно значение тока, а транзисторы имеют три напряжения и три тока. Каждый из трех выводов BJT помечен, а ток назван в честь терминала, от которого он течет; напряжения — это напряжения между любыми двумя клеммами. Терминалы названы: эмиттер, коллектор и база. На диаграмме ниже, которая представляет NPN-транзистор, токи обозначены как: i _{E ,} — ток эмиттера; i _C , коллекторный ток; и i _B , базовый ток.Напряжения обозначены как V _BE, V _CE и V _CB. В случае транзистора PNP эти токи и напряжения имеют противоположную полярность.

Изображение предоставлено: Ответы

Режимы

Транзистор может работать в трех различных состояниях: отключенном, в котором транзистор не имеет токового выхода; активный, в котором выходной ток коллектора i _C управляется базовым током i _B ; и насыщенный, когда ток коллектора транзистора достигает максимального значения, и увеличение тока базы не влияет на ток коллектора.

Отсечка : выходной ток транзистора равен нулю или по другим причинам незначителен. Когда i _C равно нулю, выходное напряжение максимальное (обычно равно напряжению смещения источника). Следовательно, в режиме отсечки В _CE = В _CC и i _C = 0, где В _CC — напряжение смещения. Этот режим противоположен насыщенности.
Насыщение : транзистор будет производить максимальный ток для схемы, и значение этого тока зависит от параметров схемы.Транзистор считается насыщенным, когда напряжение коллектор-эмиттер ³ близко к нулю (или> 0,2 В). Насыщенность может быть выражена как V _CE ≈ 0, а i _C — максимальное значение. Насыщение — это когда транзистор имеет максимальный ток, но минимальное выходное напряжение; полная противоположность режиму отключения.
Активный : В этом режиме выходной ток, i _C, управляется входным током, i _B.Активный режим полезен при проектировании усилителей тока и напряжения. Связь между токами выражается следующим образом: i _E = i _C + i _B и i _C = β · i _B. Используя последнюю формулу, мы можем выразить ток эмиттера как i _E = (β + 1) · i _B. Это демонстрирует, что токи коллектора и эмиттера являются функциями входного тока i _B. Когда управляющий ток является базовым, он известен как устройство с управляемым током.

Конфигурации

Транзисторы в схемах обычно имеют заземленную клемму. Таким образом, существует три способа подключения транзистора к схеме.

1. Общая база : Клемма базы заземлена и становится общей клеммой между входом (эмиттер) и выходом (коллектор).

Изображение предоставлено: All About Electronics

2. Общий эмиттер : Вывод эмиттера заземлен и служит общим выводом между входом (базой) и выходом (коллектором).Это наиболее важная конфигурация заземленных клемм, поскольку схема может производить более высокий выходной ток и напряжение, чем соответствующий вход.

Изображение предоставлено: All About Electronics

3. Общий коллектор : Коллектор является общим выводом для входа (базы) и выхода (эмиттер).

Изображение предоставлено Викимедиа

Типы

Чаще всего BJT классифицируются по полярности или материалу изготовления.

наименование

описание

символ

NPN транзистор

Физическое устройство транзистора помещает основание из материала P-типа между двумя слоями материала N-типа.

PNP транзистор

Транзисторы размещены на основе материала N-типа между двумя слоями материала P-типа.

Изображения предоставлены Викимедиа

Или, если указать материал, BJT будет называться кремниевым транзистором, германиевым транзистором и т. Д.

Технические характеристики

При рассмотрении биполярных переходных транзисторов важны следующие параметры:

Коэффициент прямого переноса (также известный как коэффициент усиления по току ): Транзистор может обеспечивать большой выход, i _C , с маленьким входом, i _B , тем самым делая его усилителем тока — одна из самых важных функций BJT. Коэффициент, на который i _C больше, чем i _B , называется усилением постоянного тока и обозначается греческой буквой β.Хотя β обычно поставляется производителями, его можно определить по формуле β = i _C / i _B . β — это фундаментальное значение способности BJT к усилению. Хотя ожидается, что ß останется постоянным значением, производители могут также предоставить диапазон ß (также иногда представленный как h _fe) для покрытия применимого диапазона транзистора, который обычно определяется как максимум, минимум и среднее значение. Например, один популярный малосигнальный BJT, 2N3903, имеет диапазон ß от 15 до 150, который изменяется в зависимости от тока коллектора.ß является самым высоким для средних токов коллектора и уменьшается для высоких и низких токов коллектора.

Напряжение пробоя коллектор-эмиттер (В _CEO) — это максимально допустимое напряжение, которое можно непрерывно прикладывать в обратном направлении коллекторного перехода при открытом эмиттере.

Максимальный ток коллектора — это наивысшая степень тока, который может использоваться в коллекторе.

Единичный коэффициент усиления , произведение которого равно частоте, на которой h _FE находится в единице.

Рассеиваемая мощность — это общая потребляемая мощность BJT, часто выражаемая в ваттах или милливаттах. Когда транзистор проводит ток между коллектором и эмиттером, он также понижает напряжение между этими двумя точками. Рассеиваемая мощность равна произведению тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер. Транзисторы оцениваются в соответствии с их способностью без повреждений рассеивать мощность. Высокая температура разрушительна для всех полупроводниковых устройств, а BJT особенно подвержены термическому повреждению.Номинальные значения мощности учитывают температуру окружающей среды в рабочей среде. Если транзистор будет использоваться в теплой обстановке, номинальная мощность может быть снижена для увеличения срока службы.

Транзисторные блоки

В сопроводительном списке представлены наиболее распространенные корпуса транзисторов.

Упаковка	Описания
К-3	ТО-3 представляет собой корпус с контуром транзистора (ТО).
К-8	ТО-8 — это корпус с контуром транзистора (ТО).
К-39	ТО-39 — это корпус с контуром транзистора (ТО).
К-92	TO-92 — это однорядный корпус с контуром транзистора (TO), который часто используется для устройств с низким энергопотреблением. Один из самых старых силовых агрегатов TO-92 подходит для использования в офисном и коммуникационном оборудовании.
К-202	ТО-202 — это корпус транзистора с контуром (ТО).
К-220	TO-220 — это корпус с контуром транзистора (TO), который подходит для силовых устройств большой мощности, среднего тока и быстрой коммутации. ТО-220 используется в бытовой технике, офисном и промышленном оборудовании, а также в персональной и бытовой электронике. Вариант корпуса TO-220 Full Pack включает полностью герметизированный радиатор, не требующий дополнительных аппаратных средств для гальванической развязки.TO-220 Full Pack имеет такую же площадь основания, что и TO-220, обеспечивает гальваническую развязку до 5 кВ и часто используется в двигателях и источниках питания.
К-223	ТО-223 — это корпус с контуром транзистора (ТО).
К-237	ТО-237 — это корпус с контуром транзистора (ТО).
К-247	TO-247 — это большой корпус транзистора со сквозными отверстиями (TO).TO-247 обеспечивает отличное рассеивание мощности и идеально подходит для металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов (MOSFET), мощных биполярных транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).
К-263	TO-263 — это версия корпуса TO-220 для поверхностного монтажа. TO-263 — это корпус с контуром транзистора (TO) с 2, 3, 5, 6 или 7 выводами. TO-263 может вместить большие кости из-за его большой конструкции площадки. Он подходит для приложений с высокой мощностью из-за своего низкого сопротивления.Типичное применение TO-263 включает бытовую технику и персональные компьютеры.
СО-8	SO-8 — это небольшой пакет (SO).
СОТ3	SOT3 — это небольшой корпус транзистора (SOT) с тремя выводами.
СОТ23	SOT23 представляет собой корпус прямоугольного транзистора с малым контуром (SOT) для поверхностного монтажа с тремя или более выводами типа «крыло чайки».SOT23 имеет очень малую площадь основания и оптимизирован для максимально возможного тока. Из-за своей низкой стоимости и низкого профиля SOT23 используется в бытовой технике, офисном и промышленном оборудовании, персональных компьютерах, принтерах и коммуникационном оборудовании.
СОТ25	SOT25 — это корпус мелкоконтурного транзистора (SOT) для поверхностного монтажа с тремя выводами.
СОТ26	SOT26 — это пластиковый корпус для поверхностного монтажа с малым контуром транзистора (SOT) с тремя выводами.
СОТ82	SOT82 представляет собой корпус прямоугольного транзистора с малым контуром (SOT) для поверхностного монтажа с тремя выводами. SOT82 больше DPAK и меньше TO-220, но все же сравним с TO-220 по производительности. Выводные рамки SOT82 доступны с полным никелированием или селективным серебряным покрытием и позволяют соединять провода с золотой или алюминиевой проволокой. Часто SOT82 используется в устройствах защиты от перенапряжения в телекоммуникационном оборудовании.SOT82 также используется для упаковки мощных выпрямителей, преобразователей постоянного тока в переменный (ЦАП) и преобразователей частоты.
СОТ89	SOT89 — это пластиковый корпус с малым контуром транзистора (SOT) для поверхностного монтажа с тремя выводами и площадкой коллектора для хорошей теплопередачи. В отличие от других пакетов, ведущие посты SOT89 настроены вверх, а не вниз. SOT89 разработан для коммутации средней мощности и высокой скорости. Он также используется в приложениях с очень низким RDS (включено), без вторичного пробоя и прямым интерфейсом с комплементарным металлооксидным полупроводником (CMOS) и транзисторно-транзисторной логикой (TTL).
СОТ123	SOT123 — это корпус с фланцевым керамическим транзистором (SOT) для поверхностного монтажа с двумя монтажными отверстиями и четырьмя выводами.
СОТ143	SOT143 — это пластиковый корпус с малым контуром транзистора (SOT) для поверхностного монтажа с четырьмя выводами.
СОТ233	SOT223 — это пластиковый корпус с малым контуром транзистора (SOT) для поверхностного монтажа с четырьмя выводами и радиатором.Во время пайки сформированные выводы поглощают термическое напряжение и исключают возможность повреждения матрицы. Герметизирующий материал повышает надежность устройства, позволяя SOT223 обеспечивать отличную производительность в средах с высокими температурами и уровнями влажности. SOT223 обеспечивает рассеиваемую мощность от 1 Вт до 1,5 Вт.
СОТ323	SOT323 — это пластиковый корпус с малым контуром транзистора (SOT) для поверхностного монтажа с тремя выводами.
ТО-251 / ТО252	TO-251 и TO-252 — это блоки малой и средней мощности с контуром транзистора (TO). TO-251 использует технологию сквозного отверстия (THT). TO-252 использует технологию поверхностного монтажа (SMT). Оба пакета предоставляют несколько вариантов выводных рамок и обычно используются в бытовой технике, персональных компьютерах, освещении и автомобильных системах.
FPAK	Плоская упаковка (ФПАК).

Приложения

Транзисторы

используются во многих электрических и электронных устройствах. Транзисторы являются строительными блоками всех электронных устройств и систем, от смартфонов до космических кораблей. В истории электроники нет другого компонента, который использовался бы больше, чем транзистор.

Стандарты

Некоторые ключевые промышленные стандарты, на которые следует обратить внимание при рассмотрении BJT, включают:

BS IEC 60747-7 — Полупроводниковые приборы: биполярные транзисторы

IEC 60747-7 — Полупроводниковые приборы. Дискретные устройства. Часть 7. Биполярные транзисторы.

JEDEC JESD 24-6 — Измерение теплового импеданса биполярных транзисторов с изолированным затвором

ресурс

Википедия — Транзисторы с биполярным переходом; транзистор

Изображение предоставлено:

Infineon Technologies AG

FUJI ELECTRIC | Исследования и разработки


	Силовой транзистор

Последние разработки в области импульсных силовых транзисторов

Ёсиюки Учида

В этой статье описываются последние технологические тенденции в области импульсных силовых транзисторов и новые разработки Fuji Electric в этой области.Быстрый прогресс был достигнут в устройствах, управляемых напряжением затвором, таких как силовой МОП-транзистор и MBT (биполярный транзистор с МОП-затвором). Кроме того, Fuji Electric преодолела технические ограничения, общепринятые в отношении транзисторов с биполярным переходом (BJT), и недавно разработала силовые транзисторные модули серии Z с превосходной стойкостью к коротким замыканиям. Текущие применения BJT, силовых MOS FET и MBT проиллюстрированы здесь с точки зрения допустимой нагрузки по току, напряжения блокировки и рабочей частоты, за которыми следует краткое описание концепции «интеллектуальных устройств переключения мощности».»

Коммутационные транзисторы для преобразователей с кольцевым дросселем (RCC)

Дзиро Терашима, Тадаси Миясака

В основном коммутационная система применяется в источниках питания постоянного тока в соответствии с последними социальными требованиями к энергосбережению и миниатюризации. Среди этих импульсных источников питания многие маломощные относятся к типу RCC, чтобы снизить стоимость. Fuji Electric недавно выпустила на рынок транзисторы для RCC, которые обладают следующими характеристиками:
(1) Высокая h _FE
(2) Рейтинг h _FE
(3) Высокоскоростное переключение характеристики
(4) Wide RBSOA

Новые высокоскоростные биполярные транзисторные модули на 1200 В «Z-Series»

Шиничи Ито, Шиничи Кобаяси

Биполярные силовые транзисторные модули широко используются в схемах инверторов VVVF и CVCF.Повышение производительности и миниатюризация инверторов требуют разработки элементов с высокой скоростью h _FE, широким RBSOA и высокой стойкостью к короткому замыканию. В этом документе представлены краткие характеристики и характеристики модулей силовых транзисторов на 1200 В «Z-серии», разработанных для удовлетворения вышеуказанных требований, а также методики проектирования элементов для них.

Мощность MOS FET

Shoichi Furuhata, Naoto Fujisawa, Takeyoshi Nishimura

Поскольку в последние годы рынок мощных МОП-транзисторов быстро расширился, необходимо изучить оптимальную мощность МОП-транзисторов, которая должна быть в различных применениях.В этой статье описываются технологические тенденции силового МОП-транзистора, серия продуктов и технические разработки в конструкции продукта.

Биполярные транзисторы с МОП-затвором (MBT)

Осаму Хашимото, Кацунори Уэно, Такэёси Нисимура

Fuji Electric разработала биполярный транзистор с МОП-затвором (MBT, по нашему наименованию), пригодный для использования при высоком напряжении, токе и высокой частоте, обладающий как достоинствами силового транзистора, так и силового МОП-транзистора.В этом документе дается краткое описание конструкции, работы, конструкции, номинальных характеристик и характеристик ОБТ. Представленные здесь номиналы MBT составляют 600 В / 21 А, 600 В / 50 А и 1200 В / 25 А, а зависимость электрических характеристик от параметров относится в основном к MBT на 1200 В / 25 А.

Методы параллельного управления модулями биполярных силовых транзисторов

Хирото Суяма, Тору Хосен

Силовые транзисторы стали применяться в статических преобразователях большой емкости, и многие из них должны использоваться в параллельном соединении.В этой статье описывается причина неравных токов, передаваемых элементами при параллельном соединении, и меры по их устранению, а также приводится краткое описание реальных параллельных цепей.

Базовые методы управления модулями биполярных силовых транзисторов

Шиничи Кобаяси, Тору Хосен

Модули силовых транзисторов, которые обычно используются в инверторном оборудовании, упрощают схемы и обеспечивают более быстрое переключение по сравнению с тиристорами; однако важно знать характеристики элементов и применять наиболее подходящий метод базового привода, чтобы максимально использовать их достоинства.В этом документе описывается связь между основным состоянием привода и характеристиками элемента, а затем описывается основной метод проектирования схем основного привода и меры предосторожности при проектировании.

Методы защиты биполярных силовых транзисторов

Чтобы защитить силовые транзисторы от перенапряжения или перегрузки по току, необходимо знать характеристики устройства и способность выдерживать высокое напряжение, а также дополнительно исследовать, какой режим работы вызван какими механизмами в реальном оборудовании.В этой статье, приводящей реальный пример инвертора VVVF, описывается механизм генерации перенапряжения и сверхтока, характеристики элементов, связанных с ним, выдерживаемая высоковольтная способность и основная идея защиты.

Моделирование силовых устройств

Осаму Хашимото, Сабуро Тагами

Технология моделирования устройств стала незаменимой для полного знания принципа работы, оптимальной конструкции и сокращения сроков разработки силового устройства.В этой статье на примере MBT представлен подход к моделированию силовых устройств.
Одновременное пакетное решение с точки зрения электронов, дырок и потенциала было принято для двумерного анализа путем расширения общего метода Стоуна. Дает информацию о внутреннем состоянии элементов, принципах работы, вольт-амперных характеристиках и т. Д.

Надежность силовых транзисторов Fuji

Kiichiro Shirai, Sachiko Sumi

В этой статье описывается надежность силовых транзисторов Fuji, в основном по следующим пунктам:
Базовая разработка, краткое описание факторов отказа и типичных режимов отказа, пример анализа отказов; пункты испытаний, цели и условия испытаний для оценки надежности, пример результатов испытаний силовых транзисторных модулей; пример ускоренных испытаний, таких как повышенная влажность при испытаниях в скороварке для моделей давления пара и ускоренная термическая усталость в соединениях при испытаниях с периодической нагрузкой.

Начало страницы

Основы полупроводников (Часть 3) — Circuit Cellar

Топологии транзисторов

В Части 2 Джордж обсуждал устройства, построенные с одним P-N переходом, соответственно названные диодами. В этой статье он рассматривает устройства с большим количеством переходов. Он начинает с двух и смотрит на широко распространенный трехконтактный биполярный транзистор (BJT). Джордж смотрит на математику, науку и схемы этих устройств.

В прошлом месяце мы углубились в диоды.Пришло время рассмотреть устройства с большим количеством соединений. Начнем с трехконтактного биполярного переходного транзистора (BJT). Его выводы называются коллектором (C), эмиттером (E) и базой (B). Рисунок 1 объясняет его конструкцию, которая по сути представляет собой комбинацию двух переходных диодов. Основываясь на их соединениях, мы имеем две основные структуры: PNP (рисунок 1a) и NPN (рисунок 1b), с соответствующими обозначениями транзисторов. Устройства PNP и NPN с похожими характеристиками называются дополнительными парами.Раньше германий (Ge) использовался в качестве основного полупроводникового материала, и, хотя германиевые транзисторы NPN существовали, преобладала разновидность PNP. Первый транзистор NPN, который мне довелось использовать, был кремниевого (Si) типа.

Рисунок 1 — Принцип работы биполярного переходного транзистора. ПНП (а) и НПН (б)

Первый транзистор с точечным контактом стал результатом работы американских физиков Джона Бардина, Уолтера Браттейна и Уильяма Шокли в 1947 году — достижение, за которое они получили Нобелевскую премию по физике.Как это обычно бывает со многими изобретениями, транзистор был независимо разработан в Европе в 1948 году немцами Гербертом Матаре и Генрихом Велкером. Биполярный переходной транзистор был затем разработан и запатентован Уильямом Шокли в 1950 году в Bell Labs.

германиевых транзисторов, изготовленных в 50-х годах диффузионным методом, было много проблем с выращиванием. Одним из них была плохая частотная характеристика из-за большой емкости рассеянных электродов. Но технология производства улучшилась, и к 60-м годам у нас были сверхвысокочастотные (УВЧ) устройства, например удивительные (для своего времени) PNP-транзисторы AF139 и AF239.Германиевые устройства страдали от высокой утечки, относительно низкого рабочего напряжения и, прежде всего, значительной температурной зависимости. Но все изменилось с появлением кремниевого планарного NPN-транзистора.

Следует иметь в виду, что транзисторы являются усилителями тока. Это уже не усилители напряжения, как электронные лампы до них и полевые транзисторы (FET) сегодня. BJT работают в разных режимах. Первый — линейный, где ток коллектора IC = β x IB. β обозначает коэффициент усиления транзистора по току, который в современных устройствах обычно превышает 100.

Второй режим работы — насыщение, который используется в цифровых схемах. Транзистор становится переключателем. Он полностью включен с насыщенным током коллектора, определяемым его типом, и напряжением коллектор-эмиттер VCE, близким к нулю. Или он отключается (отключается) с IB = 0. Ток коллектора IC в идеале тоже должен быть нулевым, но всегда есть некоторая утечка.

ТРИ конфигурации усилителя
Давайте рассмотрим три основные схемы схем транзисторного усилителя, показанные на рисунке 2.Поскольку в настоящее время широко распространены NPN-транзисторы, я буду использовать их в своих примерах, когда это возможно. Начнем с топологии общей базы (рис. 2а). База заземлена и поэтому является общей как для входа, так и для выхода. Чтобы усилить сигнал переменного тока, вам потребуется смещение базы, чтобы преодолеть прямое напряжение диода база-эмиттер — около 0,65 В для кремниевых транзисторов — и вызвать протекание тока базы IB. Коэффициент усиления по току топологии с общей базой меньше 1, потому что ток коллектора IC также течет через эмиттер.Входное сопротивление топологии с общей базой очень низкое. Однако коэффициент усиления по напряжению будет высоким при условии, что сопротивление нагрузки RL также будет высоким. Он определяется уравнением 1:

. Рисунок 2 — Три основные конфигурации транзисторного усилителя: общая база (a), общий эмиттер (b) и общий коллектор (c)

Конфигурация общей базы используется в основном в радиочастотных (RF) схемах, поскольку она сводит к минимуму ограничивающий частоту коллектор. базовая емкость. Конфигурация с общим (заземленным) эмиттером обычно используется в усилителях, а также в схемах переключения, поскольку она имеет самый высокий коэффициент усиления по мощности.Как и в случае с общей базой, входное сопротивление несколько невелико, но может быть увеличено за счет усиления с помощью небольшого резистора между эмиттером и землей. Здесь ток эмиттера IE = IC + IB. Отношение IC / IE называется α и всегда меньше единицы. Соотношение токов транзисторов можно математически выразить как:

Топология общего коллектора более известна как эмиттерный повторитель. Он часто используется для преобразования входных сигналов с высоким импедансом в выходные сигналы с низким импедансом.Коэффициент усиления по току приблизительно равен β транзистора и входному сопротивлению, как показывает опыт, β x RL. Математически выигрыш выражается как:

Характеристики трех топологий транзисторов приведены в таблице 1. Когда-то в прошлом символ коэффициента усиления постоянного тока β с общим эмиттером был заменен на hFE. Это параметр, который в настоящее время можно найти в спецификациях транзисторов. Это сокращение от «гибридный параметр прямого усиления по току, общий эмиттер».На рис. 3 показан пример I-V (вольт-амперной) характеристики коллектора NPN-транзистора с общим эмиттером, где ток базы IB является параметром. Вольт-амперная характеристика базового тока по сравнению с базовым напряжением — это характеристика диода, представленная во второй части этой серии статей, доступной в Интернете здесь, а вопрос о заполнении здесь: Circuit Cellar 351, октябрь 2019 г.

	Общая база	Общий эмиттер	Общий коллектор
Входное сопротивление	Низкий	Средний	Высокая
Выходное сопротивление	Очень высокий	Высокая	Низкая
Фазовый сдвиг	0 градусов	180 градусов	0 градусов
Коэффициент усиления напряжения	Высокая	Средний	Низкий
Коэффициент усиления по току	Низкая	Средний	Высокая
Коэффициент усиления	Низкий	Очень высокий	Средний

Таблица 1 — Сводные характеристики топологий транзисторных усилителей

Рисунок 3 — Коллекторная вольт-амперная характеристика NPN-транзистора.График не в масштабе.

Обратите внимание, что зависимость тока коллектора IC от напряжения коллектора VC довольно велика для малых напряжений коллектора. Когда достигается насыщение тока коллектора, ток меняется очень мало. Вы можете проанализировать низкочастотную характеристику транзисторных усилителей, используя эквивалентную схему транзистора. Чаще всего паразитные характеристики считаются незначительными для данного приложения и, следовательно, игнорируются. На рисунке 4а показана эквивалентная схема с общим эмиттером.По практическим причинам его часто преобразуют в так называемый эквивалент Т-образной цепи, рис. 4b.

Рисунок 4 — Эквивалентная схема транзистора в конфигурации с общим эмиттером

Для целей электрического анализа вы можете рассматривать транзистор как черный ящик — линейную сеть с четырьмя выводами, как показано на рисунке 5. Транзистор — это устройство с тремя выводами, но с одним выводом, эмиттером для общего эмиттера. конфигурация, очевидно, обычная. Вы можете анализировать эту сеть в разных условиях, каждое из которых отображает свой набор параметров.Например, при разомкнутой цепи будут получены z-параметры импеданса. Условия короткого замыкания будут определять y-параметры проводимости. Но поскольку транзисторы в соединениях с общим эмиттером имеют низкое входное и высокое выходное сопротивление, выгодно использовать гибридные параметры, называемые h-параметрами. Но это еще не все! Существуют также m-параметры параллельной серии, a-параметры каскадного перехода вперед и b-параметры каскадного перехода назад.

Рисунок 5 — Транзисторный усилитель четырехполюсной линейной сети

Выбор параметров
Итак, какие параметры вы выбираете и что вы можете с ними делать? На этот раз, зная один набор параметров, вы можете математически преобразовать их в любой другой набор с небольшой ошибкой.Затем, вставив их в матрицу, как показано уравнением (5), можно рассчитать рабочие характеристики черного ящика. В уравнении (5) используются h-параметры:

Вся эта теория очень интересна, но если у вас нет доступа к трассировщику кривой и вы не измеряете эти параметры самостоятельно, вам не повезло. Я не нашел параметров черного ящика ни в одной спецификации, опубликованной производителем транзисторов.

Но это не остановка. Современные производители предоставляют ряд графиков для своих флагманских устройств, что позволяет вам разработать любую транзисторную схему, которую вы только можете себе представить.Но вы также можете найти много недорогих транзисторов — например, на e-Bay — чьи характеристики, если вам повезет, могут предоставить вам, возможно, только следующее (и ничего больше): максимальное номинальное напряжение и ток, возможно распиновка и, возможно, hFE. И тем не менее, даже это не предел. Вы по-прежнему можете построить схему, удовлетворяющую простым требованиям, особенно для работы на низких частотах.

Опираясь на обратную связь, вы можете установить рабочую точку постоянного тока, даже не зная точного hFE.Довольно часто можно с уверенностью предположить, что hFE будет больше 100. В таком случае одноступенчатый усилитель с общим эмиттером и небольшим эмиттерным резистором RE обеспечит усиление по напряжению приблизительно RL / RE, где RL — сопротивление нагрузки, включающий коллекторный резистор параллельно с любой дополнительной нагрузкой. Для цифровых схем с относительно медленным переключением конструкция еще проще.

В следующем месяце мы продолжим эту серию статей. В части 4 я покажу вам несколько полезных схем на дискретных транзисторах, а затем мы остановимся на полевых транзисторах: переходные полевые транзисторы и МОП-транзисторы.

Подробные ссылки на статьи и дополнительные ресурсы можно найти на сайте: www.circuitcellar.com/article-materials

Иди сюда, чтобы прочитать, часть 4

Перейдите сюда, чтобы начать с части 1

ОПУБЛИКОВАНО В ЖУРНАЛЕ CIRCUIT CELLAR • НОЯБРЬ 2019 № 352 — Получить PDF-файл выпуска

Джордж Новачек был президентом на пенсии аэрокосмической компании.Он был профессиональным инженером со степенью в области автоматизации и кибернетики. Диссертационный проект Джорджа представлял собой дизайн портативного ЭКГ (электрокардиографа) с беспроводным интерфейсом. Джордж публикует статьи для Circuit Cellar с 1999 года, написав за эти годы более 120 статей. Джордж скончался в январе 2019 года. Но мы благодарны за возможность поделиться с вами несколькими статьями, которые он оставил нам для публикации.

Спонсируйте эту статью Конфигурации биполярного транзистора

(BJT)

Под транзисторами

можно понимать активное полупроводниковое устройство, имеющее 3 контакта или клеммы, предназначенное либо для блокировки, либо для пропускания большего тока в ответ на меньший ток.

Эта особенность транзисторов переключаться из включенного состояния в выключенное позволяет эффективно работать как твердотельные или цифровые переключатели, а также как усилители тока (аналоговые усилители тока).

Точнее, транзисторы построены для работы в следующих трех регионах:

Активная область: где транзистор работает как усилитель тока, имеющий Ic = ßxIb

Насыщение: где транзистор может быть полностью включен и функционирует как цифровой переключатель, имеющий Ic = I (насыщение)

Отсечка: Обратное переключение включено, здесь транзистор работает выключенным переключателем, имеющим Ic = 0

Транзисторы спроектированы с двумя основными внутренними структурами, а именно PNP и NPN , который рассказывает нам, как их внутренняя структура построена с использованием полупроводниковых материалов P-типа и N-типа.

Давайте рассмотрим внутреннюю структуру BJT или биполярного переходного транзистора, которая имеет пару PN-переходов, создающих 3 связанных клеммы, которым присвоены 3 уникальных имени для идентификации друг друга, а именно:

Эти клеммы также называются именами Назначение выводов транзисторов:

Эмиттер (E), База (B) и Коллектор (C), в порядке, зависящем от расположения устройства.

BJT — это в основном контроллеры или регуляторы тока, в которых величина проводимости тока через их выводы эмиттера коллектора зависит от доли небольшого тока смещения, проходящего через выводы их базы и эмиттера.Это позволяет им работать как переключатели или устройства регулирования тока, поскольку мы можем управлять небольшим током на выводах базового эмиттера для управления прохождением относительно большого количества тока через выводы эмиттера коллектора.

Принцип работы обоих вариантов PNP или NPN идентичен, за исключением полярности смещения и полярности шин питания, связанных с данной конфигурацией.

Типичный биполярный транзистор

Конструкция биполярного транзистора

Мы можем видеть символы транзисторов PNP и NPN, используемых в электронных схемах.

Стрелка на конкретном выводе в основном указывает направление выхода обычного тока, протекающего через базовые выводы эмиттера устройства.

Направление стрелки всегда представляет поток тока от положительной области P-типа к отрицательной области N-типа для обоих вариантов PNP и NPN, точно так же, как мы находим в символе выпрямительного диода.

Конфигурации биполярных транзисторов

С 3 клеммами, назначенными для BJT или биполярного транзистора, мы можем сконфигурировать эти устройства 3 уникальными способами в схеме в зависимости от требований приложения.В каждой из этих конфигураций у нас есть один вариант входа, один вариант выхода, где эмиттер действует как общие клеммы для обоих вариантов.

Каждая из этих конфигураций может давать уникальные выходные результаты в зависимости от различных параметров, используемых в компоновке конфигурации.

Ниже приведены 3 конфигурации биполярных транзисторов с собственными уникальными выходными характеристиками и атрибутами:

Общая базовая конфигурация — показывает усиление напряжения без какого-либо усиления по току.

Конфигурация общего эмиттера — показывает усиление как по току, так и по напряжению.

Конфигурация общего коллектора — показывает усиление по току, но не по напряжению.

Давайте изучим каждый из них отдельно:

Конфигурация общей базы (CB)

В режиме общей базы, который также называется заземленной базой, клемма базы BJT используется в качестве общей клеммы для входа и выхода конфигурация.

Входной сигнал подается через базу и эмиттер BJT, а результирующий выходной сигнал выводится через базу и выводы коллектора BJT.Базовый сигнал всегда привязан к выводу эмиттера и его потенциальному уровню.

Диаграмму для этой конфигурации можно увидеть на следующей диаграмме.

Здесь входной ток, подаваемый на эмиттер, оказывается относительно большим, поскольку этот ток является суммой тока базы и тока коллектора. Вследствие этого выходной ток на коллекторе становится меньше по сравнению с входным током эмиттера, обеспечивая чистый прирост тока, равный единице, для этого типа режима работы.Если быть точным, в общей базовой конфигурации входной сигнал ослабляется.

Схема транзистора с общей базой

Схема BJT с общей базой ведет себя как схема неинвертирующего усилителя из-за того, что ее выходные сигналы всегда синфазны с входным сигналом, что означает, что выходной сигнал точно повторяет входной полярность сигнала без изменения его атрибутов.

Этой конфигурации обычно избегают, поскольку она создает довольно высокие характеристики усиления по напряжению, при этом входная характеристика может быть сравнена с диодом, смещенным в прямом направлении, а выходные характеристики — с освещенным светодиодом.

Кроме того, этот вид биполярного транзистора отличается высоким отношением выходного сопротивления к входному или, в частности, «нагрузочного» сопротивления (RL) к «входному» сопротивлению (Rin), что дает ему значение «Resistance Gain». В результате коэффициент усиления по напряжению (Av) для конфигурации с общей базой представляется как:

Коэффициент усиления по напряжению общей базы

, где: Ic / Ie — коэффициент усиления по току, альфа (a) и RL / Rin — сопротивление. прирост.

Схема с общей базой обычно используется исключительно в схемах одноступенчатых усилителей, например, в микрофонном предусилителе или усилителях радиочастоты (Rƒ) из-за ее превосходной обработки высоких частот.

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

В конфигурации с общим эмиттером или заземленным эмиттером входной сигнал помещается между базой и эмиттером, а выходной сигнал извлекается через коллектор и эмиттер, как показано. Такая схема является одной из широко используемых схем для усилителей на базе транзисторов и означает «нормальный» подход к сети на биполярных транзисторах.

Конструкция усилителя с общим эмиттером обеспечивает самый лучший коэффициент усиления по току и мощности среди трех конструкций биполярных транзисторов.Это в значительной степени связано с тем, что входной импеданс МАЛЕНЬКИЙ, поскольку он присоединен к PN-переходу с прямым смещением, а выходной импеданс БОЛЬШОЙ, поскольку он получается от PN-перехода с обратным смещением.

Схема усилителя с общим эмиттером

В этой форме конфигурации ток, идущий от транзистора, должен быть таким же, как токи, поступающие в транзистор в форме эмиттерного тока, могут быть представлены как Ie = Ic + Ib.

Поскольку сопротивление нагрузки (RL) соединено последовательно с коллектором, для конфигурации транзистора с общим эмиттером коэффициент усиления по току может быть довольно большим просто потому, что это отношение Ic / Ib.Коэффициент усиления транзистора по току обозначается греческим символом Beta (ß).

Поскольку ток эмиттера для общей конфигурации эмиттера характеризуется Ie = Ic + Ib, отношение Ic / Ie известно как Alpha, что обозначается греческим символом a. Обратите внимание: значение Alpha всегда будет ниже единицы.

Учитывая, что электрическое соотношение между этими тремя токами, Ib, Ic и Ie зависит только от физической структуры транзистора, малейшее изменение тока базы (Ib) может привести к значительно большему улучшению тока коллектора. ( IC ).

Впоследствии небольшие изменения тока, протекающего в базе, могут в результате регулировать ток в цепи эмиттер-коллектор.

Обычно Beta может принимать значение от 20 до 200 для большинства транзисторов общего назначения.

Следовательно, когда транзистор имеет значение бета, скажем, 100, это означает, что один электрон будет проходить через вывод базы на каждые 100 электронов, проходящих через вывод эмиттер-коллектор.

Просто объединив выражения для Alpha, a и Beta, ß числовое соотношение между этими переменными и, следовательно, коэффициент усиления транзистора по току можно выразить как:

Где: «Ic» — ток, движущийся к коллектору. клемма, «Ib» — это ток, идущий к клемме базы, а «Ie» — ток, исходящий от клеммы эмиттера.

Итак, подведем итоги. Такая конфигурация биполярного транзистора включает более высокий входной импеданс, ток и усиление мощности по сравнению с конфигурацией с общей базой, но при этом усиление по напряжению может быть намного ниже. Конфигурация с общим эмиттером представляет собой схему инвертирующего усилителя. Это означает, что последующий выходной сигнал несет фазовый сдвиг на 180 градусов по отношению к сигналу входного напряжения.

Конфигурация с общим коллектором (CC)

В конфигурации с общим коллектором или с заземленным коллектором коллектор теперь становится общей ссылкой в отношении источника питания.Входной сигнал подключается прямо к базе, а выходной сигнал извлекается через нагрузку эмиттера, как показано на схеме. Такая схема обычно распознается как цепь повторителя напряжения или повторителя эмиттера.

Конструкция с общим коллектором или эмиттерным повторителем невероятно полезна для приложений согласования импеданса из-за его чрезвычайно высокого входного импеданса, примерно тысячи Ом, при сравнительно более низком выходном сопротивлении.

Схема транзистора с общим коллектором

Схема с общим эмиттером имеет коэффициент усиления по току, примерно эквивалентный значению ß самого транзистора.

В конфигурации с общим коллектором сопротивление нагрузки можно увидеть последовательно с эмиттером, что означает, что его ток будет эквивалентен току эмиттера.

Поскольку ток эмиттера является объединенным результатом совокупности тока коллектора и базы,

мы обнаруживаем, что сопротивление нагрузки в этом конкретном типе транзисторной установки имеет как ток коллектора, так и входной ток базы, протекающий через него. В этом случае коэффициент усиления по току схемы определяется уравнением:

Коэффициент усиления по току общего коллектора

Такая конфигурация биполярного транзистора представляет собой неинвертирующую схему, в которой напряжения Vin и Vout имеют тенденцию быть «инвертирующими». фаза ».Он имеет коэффициент усиления по напряжению, который всегда ниже «1» (единица).

Сопротивление нагрузки транзистора с общим коллектором в равной степени принимает токи базы и коллектора, обеспечивая значительный коэффициент усиления по току (как и конструкция с общим эмиттером), в результате он демонстрирует отличное усиление тока с небольшим коэффициентом усиления по напряжению.

На этом этапе мы можем рассмотреть различные отношения между конкретными токами постоянного тока транзистора, протекающими через каждую клемму, и его коэффициентами усиления постоянного тока, описанными выше, в следующей таблице.

Взаимосвязь между постоянными токами и коэффициентами усиления

Сводка по биполярным транзисторам

Подводя итог, можно сказать, что рабочий характер биполярных транзисторов в каждой из вышеперечисленных схем может быть весьма разнообразным и обеспечивает различные характеристики схемы с точки зрения входного импеданса, выходное сопротивление и усиление, которые могут быть усилением по напряжению, усилением по току или усилением по мощности, и все они описаны в таблице, перечисленной ниже, с помощью общих атрибутов различных конфигураций транзисторов:

Конфигурации биполярного транзистора

Об администраторе

Взаимодействие с читателем

Первичная боковая панель

Трехконтактный биполярный транзисторный элемент с трехконтактным гетеропереходом для высокоэффективного фотоэлектрического преобразования

Модель и предельный КПД

Для применения Shockley – Queisser подробно- В теории баланса12 исследования предельной эффективности этого солнечного элемента мы предположим, что процессы генерации-рекомбинации носителей заряда происходят только через поглощение и испускание фотонов (излучательная рекомбинация).Для упрощения предположим, что Солнце является черным телом при температуре T _S = 6000 K, а ячейка при температуре окружающей среды T _C = 300 K. Предположим, что Солнце является черным телом при температуре 6000 K. K стал де-факто стандартом для расчета предельной эффективности новых предлагаемых устройств, поскольку он позволяет легко сравнивать предел эффективности одного предложения с другим.

Поскольку это характерно для идеальной структуры транзистора13, коэффициент переноса носителей через базу будет принят равным единице ( α _T = 1).На данный момент читатели могут проиллюстрировать эту особенность, предположив, что база транзистора очень короткая, так что общая генерация и рекомбинация носителей в этой области становится незначительной. На графике это будет означать, что ток рекомбинации электронов Дж _r будет принят равным нулю. Позже мы снимем это ограничение.

Сначала рассчитаем плотность дырочного тока, пересекающего переход база – эмиттер, Дж _h (0). Для этого, применяя уравнение неразрывности к дыркам в эмиттере, находим:

где: g и r — скорости генерации и рекомбинации электронов и дырок, соответственно; e — заряд электрона; X — концентрация солнечного света; X _max = 46 050 — максимальная концентрация, когда ячейка находится в воздухе; и

— это h постоянная Планка, c скорость света в вакууме и k постоянная Больцмана14.С физической точки зрения F соответствует потоку фотонов, характеризуемому температурой T и химическим потенциалом μ , а энергия находится между ɛ ₁ и ɛ ₂.

В расчетах, приведших к результатам в уравнении (1), мы предположили, что: (а) эмиттер имеет поглощающую способность, равную единице для фотонов с энергией выше E _H; (б) передняя грань эмиттера, расположенная по адресу W _E, пассивирована так, что J _h (- W _E) = 0; (c) подвижность носителей велика, так что расщепление квазиуровней Ферми электронов и дырок является постоянным через эмиттер и равно напряжению, приложенному к переходу база-эмиттер, В _BE (в единицах эВ) и; (d) передняя часть ячейки окружена воздухом (показатель преломления один), и все полупроводники, входящие в структуру, имеют показатель преломления n ; д) ячейка освещается через излучатель солнцем и окружающей средой, а задний отражатель предотвращает выход люминесцентного излучения через заднюю сторону.С этими гипотезами уравнение (1) было получено с помощью того же метода, который описан в ссылке. 15. В последней строке уравнения (1), соответствует фотонам, поглощенным солнцем (обозначено стрелкой номер 1 в). X = sin ² θ / sin ² θ _S (равный θ , полуугол солнечного диска, видимый с Земли после использования системы концентраторов, и θ _S ≈ 0,267 ° — тот же угол, когда не используется концентратор) представляет собой концентрацию солнечного излучения. X _max = 46 050 представляет собой максимальную теоретическую концентрацию, когда среда, окружающая ячейку, представляет собой воздух, и получается для θ = π /2. T _S — температура Солнца (принята равной 6000 K).

Иллюстрация потоков фотонов, участвующих в работе HBTSC.

( a ) иллюстрирует случай, когда основание короткое, и ( b ) случай, когда основание длинное. Черные стрелки представляют потоки фотонов от Солнца, а красные стрелки — электролюминесцентные фотоны.

Этот термин соответствует фотонам, поглощенным из теплового окружения (обозначено стрелкой 2 в) и составляет T _C = 300 K температуре окружающей среды.

Термин eF (E _H, ∞, T _C, эВ _BE) соответствует электролюминесцентным фотонам, испускаемым излучателем через его переднюю поверхность (обозначено стрелкой номер 8 в) .

Термин n ² eF (E _H, ∞, T _C, эВ _BE) соответствует фотонам, испускаемым излучателем через его заднюю поверхность.Поскольку база короткая, фотоны, испускаемые через заднюю поверхность эмиттера, полностью достигают коллектора (обозначено стрелкой номер 5).

Член n ² eF (E _H, ∞, T _C, эВ _BC) соответствует фотонам, поглощенным на эмиттере из-за электролюминесцентного излучения коллектора. (обозначено стрелкой номер 6 дюймов). Из-за короткой базы фотоны, испускаемые коллектором с энергией выше E _H, поглощаются на эмиттере.

Предполагается, что коллектор также имеет поглощающую способность, равную единице, поэтому ни один из фотонов, которые достигают коллектора из-за электролюминесценции эмиттера, не возвращается к эмиттеру. Обратите внимание, что в равновесии T _S = T _C и J _h (0) = 0, как и ожидалось.

Полная плотность тока через переход эмиттер-база и, следовательно, общая плотность тока через вывод эмиттера будет тогда:

, где плотность дырочного тока, Дж _h (0), определяется уравнением (1) ( Дж _r считается равным нулю) и плотность электронного тока Дж _e ( W _B) еще предстоит рассчитать.

Рассчитаем теперь плотность дырочного тока через переход база – коллектор. Применяя уравнение неразрывности для дырок в коллекторе, мы находим, что с критериями знака, принятыми в:

Для этого расчета мы приняли условия, аналогичные тем, которые мы приняли для эмиттера: (a) коллектор имеет поглощающую способность, равную один для фотонов с энергией выше E _L; (б) задняя поверхность коллектора, расположенная на x = W _C, пассивирована так, что J _h ( W _C) = 0; (c) подвижность носителей велика, так что расщепление квазиуровней Ферми электронов и дырок является постоянным через коллектор и равно напряжению, приложенному к переходу база-коллектор, В _BC; (d) передняя часть ячейки окружена воздухом (показатель преломления один), и все задействованные полупроводники имеют показатель преломления n ; и (e) элемент имеет задний отражатель, так что нет люминесцентного излучения через заднюю сторону элемента.

В последней строке уравнения (4), соответствует фотонам, поглощенным солнцем на коллекторе (обозначено стрелкой номер 3 в). Этот термин соответствует фотонам, поглощаемым из теплового окружения на коллекторе (обозначено стрелкой 4 на рисунке).

Термин eF (E _L, E _H, T _C, эВ _BC) соответствует электролюминесцентным фотонам, испускаемым коллектором через его переднюю поверхность (представленную стрелка номер 7 в).Обратите внимание, что излучатель прозрачен для этих фотонов из-за его более широкой запрещенной зоны.

Член n ² eF (E _H, ∞, T _C, эВ _BE) соответствует фотонам, испускаемым излучателем через его заднюю поверхность и поглощаемым на коллектор. Так как база короткая, фотоны, испускаемые через заднюю поверхность эмиттера, полностью достигают коллектора (обозначено стрелкой № 5).

Член n ² eF (E _H, ∞, T _C, эВ _BC) соответствует фотонам, поглощенным на излучателе из-за электролюминесцентного излучения коллектор (обозначен стрелкой № 6 в).

Полная плотность тока через переход база-коллектор и, следовательно, общая плотность тока через вывод коллектора будет:

, где плотность тока дырки, Дж _h ( Вт _B) , определяется уравнением (4), и, как уже упоминалось, плотность электронного тока J _e ( W _B) еще предстоит рассчитать.

Далее мы вычисляем электрическую мощность P , извлеченную из ячейки на единицу площади.Эта мощность выводится через два резистора R _E и R _C, подключенных к клеммам база-эмиттер и база-коллектор:

Термин J _e ( W _B) ( V _BE — V _BC) заслуживает нашего внимания. Как будет показано ниже, он всегда положительный, так что представляет собой механизм потери мощности. Его физическое происхождение — скорость энтропии, генерируемая плотностью электронного тока, текущим в направлении уменьшения наклона электронного квазиуровня Ферми в основании.Если, как показано на графике, V _BE> V _BC, электроны (рассматриваемые как частицы) будут течь слева направо, а плотность электронного тока J _e ( W _B ), с принятым критерием знака, будет положительным (обратите внимание, что плотность электронного тока имеет знак, противоположный направлению, в котором электроны как частицы фактически текут). Если предположить рабочие условия, при которых V _BE < V _BC, мы также получим J _e ( W _B) ( V _BE — V _BC)> 0, потому что тогда J _e ( W _B) <0.Следовательно, даже если мы не вычислим J _e ( W _B), его необходимо сделать равным нулю, чтобы максимизировать эффективность ячейки. На практике это потребует легирования базы на гораздо более высоком уровне, чем легирование эмиттера для случаев, когда В _BE> В _BC и намного выше, чем у коллектора для случаев, когда V _BE < V _BC. Поскольку мы ожидаем, что, когда ячейка выйдет на максимальную мощность, у нас будет В _BE> В _BC, поэтому базовое легирование выше, чем легирование эмиттера, должно играть главную роль в конструкции.В терминологии биполярных транзисторов это означает, что эффективность инжекции эмиттера (отношение между плотностями электронов и полной плотности тока эмиттера, пересекающих переход эмиттер-база) должна быть как можно ближе к нулю. В этом отношении конструкция HBTSC отличается от конструкции обычного биполярного транзистора, в котором эффективность инжекции эмиттера максимально приближена к единице.

Если J _e ( W _B) = 0, можно легко проверить, что модель, описывающая J _E и J _C, точно такая же, как у модели. независимо подключенный двухпереходный солнечный элемент16, где J _E будет описывать вольт-амперную характеристику верхнего элемента, а J _C описывает вольт-амперную характеристику нижнего элемента.Единственная концептуальная разница в том, что в работе в исх. 16, среда, соединяющая ячейки, была воздухом или отсутствовала — если между ячейками было вставлено селективное зеркало — в то время как здесь ячейки оптически связаны через показатель преломления полупроводника. Следовательно, HBTSC и солнечный элемент с двойным переходом имеют одинаковую предельную эффективность.

Патент США на биполярные транзисторы с высоковольтными МОП-транзисторами на одной подложке Патент (Патент №5,229,308, выданный 20 июля 1993 г.)

Уровень техники

1.Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу изготовления полупроводникового устройства и, в частности, к способу, который упрощает процессы, с помощью которых изготавливаются высоковольтный МОП-транзистор (металлооксидный полупроводник) и биполярный транзистор на одной и той же подложке.

2. Уровень техники

Технология

BiMOS (биполярные и MOS-транзисторы на единой полупроводниковой подложке) становится все более привлекательной технологией устройств, поскольку она может обеспечить высокую производительность (лучше, чем одна MOS) без высокого энергопотребления (намного ниже, чем только биполярный).Одним из признанных недостатков изготовления устройств BiMOS является повышенная обработка, необходимая для производства как MOS, так и биполярных компонентов на одном и том же кристалле. Это связано с тем, что обычно процессы остаются раздельными, и поэтому пластина должна пройти две последовательности обработки: одну для биполярного транзистора, а другую для МОП-транзистора.

Как показано в патенте США No. В US 4868135 значительное сокращение количества этапов, используемых для изготовления как биполярного транзистора, так и МОП-транзистора, может быть достигнуто путем использования процесса изготовления устройства БИМОП, который включает определенные общие этапы для интеграции изготовления биполярного транзистора и МОП-транзистор.В этом процессе одновременно создаются биполярный транзистор и МОП-транзистор, объединяя аналогичные структурные особенности между биполярным и МОП-транзисторами. Конфигурация транзистора с биполярной структурой ближе к МОП-транзисторам и более совместима с ними.

Обычно этот тип процесса подходит для производства как биполярных, так и МОП-транзисторов на одной подложке, однако МОП-транзисторы, изготовленные по вышеуказанной методике, подходят только для ограниченного диапазона входных напряжений.Эти МОП-транзисторы работают только в обычных, обычных приложениях с низким напряжением. Этот процесс не решает проблему специализированных приложений высокого напряжения, где требуется МОП-транзистор с высоким напряжением пробоя.

Когда должен быть изготовлен высоковольтный МОП-транзистор, конструкция транзистора и способ изготовления транзистора определяются с учетом следующих проблем:

(1) явление сквозного пробоя между истоком и стоком, при котором обедненный слой простирается до области истока, если длина канала мала;

(2) пробой диэлектрика между затвором и стоком (поддержание напряжения пробоя) и;

(3) лавина, вызванная концентрацией электрического поля около поверхности области стока, которая возникает, когда область стока и затвор перекрываются тонкой пленкой изолятора.

Настоящая технология, как показано в патенте США No. US 4818719 заключается в том, что вышеупомянутые проблемы могут быть уменьшены с минимальным влиянием на этапы обработки устройства. В этом патенте раскрывается процесс, в котором первая примесная область, имеющая конкретный тип проводимости и служащая в качестве ограничителя канала МОП-транзистора, и вторая примесная область, имеющая тот же тип проводимости, что и первая примесная область, и служащая в качестве смещенного низколегированного слоя одновременно производятся высоковольтные МОП-транзисторы.Этот тип транзистора со смещенным низколегированным слоем в стоке в дополнение к обычному слою стока часто называют МОП-транзистором с двойным диффузным стоком или транзистором DMOS. Смещенный низколегированный слой часто называют дрейфовой областью. Область дрейфа имеет гораздо более низкую концентрацию примесей, чем прилегающая область стока, и соединяет область затвора транзистора с прилегающей областью стока. Несмотря на то, что этот метод обеспечивает достаточно хороший высоковольтный транзистор, все же есть возможности для улучшения характеристик поддерживающего напряжения пробоя.

Усовершенствования только в транзисторе DMOS, приводящие к лучшим рабочим характеристикам, обсуждались в документе «Проектирование процесса и устройства 1000-вольтовой МОП-микросхемы» Таданори Ямагути и Сейити Моримото в IEEE Trans. Electron Devices, том ED-29, стр. 1171-1178, август 1982 г. В этой статье обсуждается последовательность процесса изготовления двойного диффузионного стока (две отдельные увеличивающиеся области концентрации имплантата) высоковольтного МОП-транзистора и рассматривается расширение процесса до тройного высоковольтный МОП-транзистор с диффузным стоком (три отдельные увеличивающиеся концентрации имплантата) для получения высоковольтных транзисторов с предпочтительными рабочими характеристиками за счет увеличения числа этапов обработки.

В описанных выше обычных процедурах МОП-транзисторы с обычным низковольтным логическим управлением могут быть изготовлены вместе с биполярными транзисторами. Для изготовления высоковольтного МОП-транзистора с биполярным транзистором для специалистов в данной области техники было принято объединять отдельные этапы процессов, известные для каждой технологии, в объединенную последовательность обработки, включающую все отдельные этапы обеих технологий. Поскольку поддерживающее напряжение пробоя МОП сильно зависит от концентрации примеси в области дрейфа, стандартной практикой изготовления биполярного транзистора и высоковольтного МОП-транзистора на одной и той же подложке было регулирование концентрации примесей для каждого транзистора. в рамках своих отдельных процессов.Это привело к чрезмерно усложненным планам обработки, которые нежелательны, поскольку содержат чрезмерные этапы обработки, отнимают много времени и являются дорогостоящими. Некоторые усилия были предприняты в области эффективного объединения этапов обработки для производства высоковольтных МОП-транзисторов (патент США № 4818719), но эти усилия не были направлены на создание высоковольтных МОП-транзисторов эффективным способом с биполярными транзисторами, поскольку в результате последовательность процессов была чрезмерно обременительной.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описан эффективный процесс создания высоковольтного МОП-транзистора с тройным диффузионным стоком с первой и второй областями дрейфа и биполярного транзистора на единой подложке. Процесс включает в себя этап формирования второй области дрейфа высоковольтного МОП-транзистора и базовой области биполярного транзистора на одном этапе процесса для повышения эффективности процесса.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

РИС.1 показан вид сбоку высоковольтного МОП-транзистора и биполярного транзистора, изготовленных в соответствии со способом варианта осуществления изобретения.

РИС. 2a-2j показаны различные стадии формирования высоковольтного МОП-транзистора и биполярного транзистора по фиг. 1.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Теперь обратимся к фиг. 1 показан вариант осуществления полупроводникового устройства, содержащего высоковольтный МОП-транзистор 6 и биполярный транзистор 8, созданный согласно способу настоящего изобретения.Все этапы процесса нанесения материалов, травления и формирования рисунка известны в данной области техники. Высоковольтный МОП-транзистор 6 содержит кремниевую подложку 10 p-типа, имеющую n-луночную область 12. Контактная область 14 истока транзистора состоит из p + -типа области внутри n-луночной области 12. Область стока » D «содержит 3 различных области 16, 18, 20 p-типа. Область 16 имеет кольцевую форму и имеет определенную концентрацию носителей, образующих первую область дрейфа. Область 18 перекрывает кольцевую область 16 и имеет концентрацию носителей, которая больше, чем область 16, образующая вторую область дрейфа.Область 20 является областью контакта со стоком и имеет концентрацию носителей, которая больше, чем у дрейфующих областей 16 и 18, и расположена рядом с областью 16. Это относительные концентрации этих областей 16, 18, 20, которые определяют характеристики пробоя Высоковольтный МОП-транзистор 6. Между областью 14 контакта истока и областью стока «D» и рядом с ними находится область «G» затвора, которая является материалом n-типа. При перемещении от области затвора «G» через первую область «d1» дрейфа, вторую область «d2» дрейфа к области «d3» контакта с стоком, концентрация носителей увеличивается.Он самый низкий в первой области дрейфа «d1» и самый высокий в зоне контакта со стоком «d3». Предусмотрены электроды 22 истока и электроды 24 стока, которые сделаны из металла и контактируют как с областью 14 контакта истока, так и с областью стока «D» через область 20 контакта стока. Область затвора «G» контактирует со слоем 28 затвора из поликремния на плате. поверхность затвора области «G» транзистора. Нижний стеклянный слой 27 сформирован на поверхности транзисторных структур. Нижний стеклянный слой 27 изолирует транзисторы от металлических соединительных линий.Изолирующий и защитный слой стекла 29 находится на поверхности всех структур.

Биполярный транзистор 8 содержит область 11 сильно легированного контакта базы, область 13 эмиттера и область коллектора 15. Также присутствует область 17 p-базы. Область 11 базового контакта и эмиттерная область 13 сформированы внутри области 17 p-базы. Область 17 p-базы и коллекторная область 15 содержатся в области 19 с n-ямкой. Работа и формирование биполярных транзисторов хорошо развиты. известный в данной области техники.

Теперь обратимся к фиг. 2a-2j показана последовательность этапов процесса, используемых для изготовления высоковольтного МОП-транзистора 6 и биполярного транзистора 8 в соответствии с настоящим изобретением. Толщина показанных слоев не обязательно пропорциональна.

На ФИГ. 2а показана кремниевая подложка 10 p-типа с начальным оксидным слоем 30, выращенным на подложке 10, и начальным нитридным слоем 32, нанесенным на слой 30 оксида кремния. Оксидный слой выращивается с использованием обычных методов и может быть от 200.ANG. до 500 .ANG. толстый. Слой нитрида наносится обычными методами и может иметь толщину от 800 ° C. до 1200 .ANG. толстый.

На ФИГ. 2b, с использованием обычных технологий формирования рисунка формируется слой 34 фоторезиста толщиной от 1,0 мкм до 2,0 мкм. Слой 32 нитрида, показанный на фиг. 2а, затем травится для получения нитридной структуры 32, показанной на фиг. 2b. Этот оставшийся нитридный слой 32 определяет области, которые в конечном итоге станут зонами распространения высоковольтного МОП-транзистора 6 и биполярного транзистора 8.Контактная область 14 истока, контактная область 20 стока, контактная область 11 основания, эмиттерная область 13 и коллекторная область 15 — все обозначены и будут сформированы под оставшимся нитридным слоем 32 на последующих этапах.

Затем, как показано на фиг. 2c, n-лунки 12, 19 сформированы путем использования n-луночной маски, формирующей новый рисунок 36 фоторезиста и последующего n-луночного имплантата, эти этапы выполняются обычным образом. Обычный процесс имплантации с высокой энергией, использующий дозировку от 1 до 1.от 10 12 атомов на квадратный сантиметр до 5 • 10 12 атомов на квадратный сантиметр с уровнем энергии от 200 кэВ до 300 кэВ используется для проникновения в структуру нитрид / оксид. Поскольку фоторезист 36 примерно в десять раз толще нитрида или оксида, имплант не будет проникать через рисунок фоторезиста, но проникает сквозь оксид 30 и нитрид 32, не покрытые фоторезистом 36. Слой 36 фоторезиста наносится обычными методами. .

На следующем этапе процесса, показанном на фиг.2d, области имплантатов борного поля изготавливаются с использованием тех же этапов обычного процесса маскирования и этапов процесса имплантации, которые используются при формировании n-луночной области 12. Имплантаты борного поля имплантируются с концентрацией 5 × 10 12 атомов на квадратный сантиметр до 9 × 10 12 атомов на квадратный сантиметр и энергия от 20 кэВ до 30 кэВ. После вдавливания концентрация бора будет примерно от 1 × 10 17 атомов на кубический сантиметр до 5 × 10 17 атомов на кубический сантиметр.Полевые имплантаты будут обеспечивать как области 38 остановки канала, так и контакт 16 первой области дрейфа в области стока «D» транзистора. Поскольку имплантат выполняется с низкой энергией, слой нитрида блокирует полевой имплантат.

До сих пор процесс следовал стандартной схеме процесса CMOS с использованием только стандартной последовательности шагов процесса. На этом этапе процесс отклоняется от общепринятой последовательности. Используя рисунок 40 фоторезиста и обычные методы имплантации, описанные на предыдущих этапах, создается область имплантата с p-лункой, как показано на фиг.2e. Дозировка имплантата находится в диапазоне от 5 × 10 12 атомов на квадратный сантиметр до 9 × 10 12 атомов на квадратный сантиметр, а энергия имплантата составляет от 85 кэВ до 110 кэВ. После вдавливания концентрация бора будет примерно от 3,5 × 10 17 атомов на кубический сантиметр до 6,5 × 10 17 атомов на кубический сантиметр. Однако, в отличие от обычных последовательностей, на этом этапе процесса одновременно будут имплантированы как вторая область дрейфа 18 высоковольтного МОП-транзистора, так и базовая область 17 биполярного транзистора 8.Это позволяет изготавливать высоковольтный МОП-транзистор 6 с биполярными транзисторами 8 без использования дополнительных масок и этапов имплантации, которые потребовались бы в традиционном процессе. Эти шаги можно комбинировать для любых процессов, направленных на создание как биполярных, так и высоковольтных МОП-транзисторов на одной подложке. Поскольку имплантат выполняется с высокой энергией, нитридный слой не блокирует имплант.

Завершение транзистора показано на фиг. 2f-2j и следует хорошо известным и традиционным технологиям.

На ФИГ. 2f, оставшийся нитридный слой 32 вытравливается, а полевые оксиды 42 и затворные оксиды 44 растут. Оксиды поля от 1000 .ANG. до 9000 .ANG. толщиной и оксиды ворот от 200 .ANG. до 400 .ANG. толстый. Также обратите внимание, что происходит некоторая боковая диффузия области 38 остановки канала, приводящая к контакту между областью 38 остановки канала и областью с n-ямкой 19.

Затем поликремний затвор 46 транзистора показан после формирования на фиг. 2г.Выполняются этапы осаждения поликремния, определение областей поликремния с новой маской и рисунком фоторезиста 48, а затем политравление всех участков, не защищенных фоторезистом 48. Затвор 46 из поликремния имеет толщину от 3000 .ANG. до 5000 .ANG ..

Еще раз, маска и рисунок фоторезиста изменяются, чтобы определить области имплантата N +, которые станут эмиттерной областью 13 и областью коллектора 15 (см. Фиг. 2h) для биполярного транзистора, и эти области имплантируются фосфором на имплант. уровень 5.от 10 15 атомов на квадратный сантиметр до 5 × 10 16 атомов на квадратный сантиметр при уровне энергии от 70 кэВ до 80 кэВ. Затем маска и рисунок фоторезиста изменяются для определения областей контакта 14 истока и контакта 20 стока высоковольтного транзистора и области 11 контакта базы биполярного транзистора, и эти области имплантируются бором. Имплантация бора осуществляется при дозировке от 1 × 10 15 атомов на квадратный сантиметр до 5 × 10 15 атомов на квадратный сантиметр и уровне энергии от 55 кэВ до 75 кэВ.На этом этапе имплантации будет создана область 14 имплантата истока p + -типа, а также конечная область p + в области 20 контакта стока и области 11 контакта базы биполярного транзистора, как показано на фиг. 2ч.

Высоковольтный транзистор имеет три области концентрации: «d1», «d2», «d3» в пределах области стока «D». Область «d1» является первой областью дрейфа и является областью, где был имплантирован только имплант 16 первой области дрейфа. Концентрация этой области «d2» составляет примерно 1.от 10 17 атомов на кубический сантиметр до 5 • 10 17 атомов на кубический сантиметр. Область «d2» является второй областью смещения и расположена там, где перекрываются имплант 16 первой области смещения и имплант 18 второй области смещения. Поскольку концентрации являются аддитивными, результирующая концентрация составляет примерно от 4,5 × 10 17 атомов на кубический сантиметр до 11,5 × 10 17 атомов на кубический сантиметр. Область «d3» — это только что законченная контактная область слива 20.

Это уже законченная область стока «D» с тройным рассеиванием «d1», «d2», «d3», которая придает транзистору его особые высоковольтные характеристики.В зависимости от масштабируемых размеров устройства этот транзистор работает в диапазоне напряжений от 50 до 200 вольт, что значительно выше нормального рабочего диапазона обычных транзисторов на 5 вольт. Эта область стока «D» состоит из трех отдельных областей увеличивающейся концентрации имплантата, первой и второй областей смещения «d1», «d2» и области «d3» контакта слива, которые были созданы на этапах, показанных на фиг. 2d, 2e и 2h. В отличие от традиционных процессов изготовления высоковольтного транзистора, обработка высоковольтного транзистора с тройным рассеянным стоком описанного выше изобретения осуществляется путем комбинирования последовательностей шагов с другими структурами, которые должны присутствовать на полупроводниковом устройстве, так что транзистор Повышенная сложность может быть построена без увеличения сложности последовательности обработки.

Остальные процессы, показанные на фиг. 2i-2j для создания контактов, металлические линии, электроды 22, 24, 26, пассивирующие слои и т. Д. Все выполняются обычным способом для завершения интегрированного полупроводникового устройства, показанного на фиг. 1.

Хотя первый и второй имплантаты 16, 18 области дрейфа показаны как перекрытые, можно настроить фотошаблоны по-разному, чтобы изменить структуру. Следовательно, имплантаты 16, 18 первой и второй области дрейфа могут быть примыкающими друг к другу, а не перекрываться.

Хотя изобретение описано как изготовленное на подложке p-типа, понятно, что существует эквивалентный процесс, при котором транзисторы могут быть изготовлены на подложке n-типа.

Транзисторы (полевые, биполярные) — обозначение, типы, применение

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Принцип действия биполярного транзистора

Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы

Ток утечки между коллектором и базой

n-p-n и p-n-p транзисторы

Структура, эквивалентная схема и графическое обозначение биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), принцип действия, преимущества и недостатки.

Биполярный транзистор: разработка и принцип действия

История разработки первых транзисторов

Принцип действия биполярного транзистора, температурные режимы

Система обозначений транзисторов

Транзисторы биполярные. Метод измерения граничного напряжения – РТС-тендер

10 Классификация биполярных и полевых транзисторов

Рекомендуемые файлы

Для транзисторов с рассеиваемой мощностью не более

Цифра, написанная через дефис после 7-го элемента — для обозначения безкорпусных транзисторов соответствует следующим модификациям конструктивного исполнения:

С гибкими выводами без кристаллодержателя (подложки) ___________________ 1

С гибкими выводами на кристаллодержателе (подложке) ____________________ 2

С жесткими выводами без кристаллодержателя (подложки) __________________ 3

С жесткими выводами на кристаллодержателе (подложке) ___________________ 4

С контактными площадками без кристаллодержателя (подложки) и без

2Т399А

Графическое обозначение полупроводниковых приборов

»Биполярный транзистор

: типы, характеристики, применение

Строительство

Операция

Режимы

Конфигурации

Типы

Технические характеристики

Транзисторные блоки

Приложения

Стандарты

ресурс

Изображение предоставлено:

FUJI ELECTRIC | Исследования и разработки

Основы полупроводников (Часть 3) — Circuit Cellar

Топологии транзисторов

(BJT)

Конфигурации биполярных транзисторов

Конфигурация общей базы (CB)

Схема транзистора с общей базой

Коэффициент усиления по напряжению общей базы

Конфигурация с общим эмиттером (CE)

Конфигурация с общим коллектором (CC)

Схема транзистора с общим коллектором

Коэффициент усиления по току общего коллектора

Взаимосвязь между постоянными токами и коэффициентами усиления

Конфигурации биполярного транзистора

Об администраторе

Взаимодействие с читателем

Первичная боковая панель

Трехконтактный биполярный транзисторный элемент с трехконтактным гетеропереходом для высокоэффективного фотоэлектрического преобразования

Модель и предельный КПД

Патент США на биполярные транзисторы с высоковольтными МОП-транзисторами на одной подложке Патент (Патент №5,229,308, выданный 20 июля 1993 г.)

alexxlab

Добавить комментарий Отменить ответ

Рубрики