Биполярные транзисторы

Конструирование Математика

• Главная
/
• Статьи
/
• Конструирование

Биполярные транзисторы, изобретённые в 1948 году, совершили революцию в мире электроники. Технические характеристики, которых можно было добиться только с помощью громоздких, механически хрупких и энергоёмких электронных ламп, стали достижимы при использовании небольших, механически прочных и не требующих большого количества энергии кусочков кристаллического кремния.

Этот переворот создал возможности для разработки и производства недорогих электронных устройств с небольшими габаритами, без которых немыслим современный мир. Понимание принципов работы транзисторов имеет первостепенную важность для любого, кто интересуется современной электроникой.

В данной статье в первую очередь речь пойдёт о возможном практическом применении биполярных транзисторов и принципах его работы. Мы не будем разбирать теорию работы полупроводников и оставим в стороне вопрос «дырок» и «электронов». Здесь будет дана информация об использовании транзисторов, а не анализ составляющих их компонентов. Речь не идёт о преуменьшении важности понимания физики полупроводников, — всё дело в том, что довольно часто чрезмерное внимание на теории удаляет нас от понимания функционирования транзисторов в реальных схемах. Однако, предполагается, что читатель уже имеет некоторый объём знаний о работе полупроводников: знает разницу между полупроводниками n-типа и p-типа, функциональные характеристики p-n (диодного) перехода и значение терминов «обратносмещённый» и «прямосмещённый». Если эти концепции не слишком понятны для вас, то вам следует предварительно ознакомиться с базовыми понятиями твердотельной электроники.

Своей структурой биполярный транзистор напоминает трёхслойный сендвич из примесных полупроводниковых материалов в комбинациях p-n-p или n-p-n (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). Для каждого слоя, образующего транзистор, существует особое название и на каждом слое имеется вывод для подключения транзистора к схеме. Ниже приведены схематическое условное изображение и внешний вид транзисторов обоих типов.

 

Единственным функциональным различием между транзистором PNP-типа и транзистором NPN-типа является полярность переходов при работе. При каждом данном режиме работы, направления тока и полярности напряжения полностью противоположны для транзисторов PNP- и NPN-типа.

Биполярные транзисторы представляют собой токоуправляемые регуляторы тока. Другими словами, они ограничивают количество проходящего через них тока в соответствии с меньшим управляющим током. В зависимости от типа транзистора основной (управляемый) ток течёт с коллектора на эмиттер, или же с эмиттера на коллектор (PNP или NPN соответственно). И также в зависимости от типа транзистора небольшой (управляющий) ток течёт с базы на эмиттер, или же с эмиттера на базу (PNP или NPN соответственно).

Согласно сбивающим с толку стандартам полупроводниковой электроники, стрелки на схемах всегда направлены в сторону, противоположную реальному направлению потока электронов:

Собственно название биполярных транзисторов объясняется тем, что в биполярном транзисторе, в отличие от обычного, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»).

Как вы видите, управляющий ток и управляемый ток всегда объединяются на выводе эмиттера, и здесь поток электронов всегда двигается в направлении противоположном стрелке. Отсюда можно вывести первое и наиболее важное правило по использованию транзисторов: для того чтобы транзистор работал как регулятор тока, токи должны двигаться в верных направлениях. Небольшой управляющий ток обычно называют током базы, поскольку он является единственным током, протекающим через базу транзистора. И наоборот, больший управляемый ток называют током коллектора, так как он является единственным током, протекающим через вывод коллектора.

Ток эмиттера является суммой токов базы и коллектора, что соответствует закону токов Кирхгофа.

Если на базе транзистора ток отсутствует, то транзистор будет отключён подобно выключателю, что не позволит току протекать через коллектор. При наличии тока базы транзистор включается (теперь он напоминает замкнутый выключатель) и позволяет протекать через коллектор пропорциональному количеству тока. В первую очередь ток коллектора ограничивается током базы, в независимости от существующего напряжения. Таким образом, биполярные транзисторы могут использоваться в качестве переключающего элемента.

• РЕЗЮМЕ:
• Основными носителями заряда в биполярных транзисторах выступают как электроны, так и дырки.
• Биполярный транзистор состоит из трёх слоёв полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. Возможны две структуры слоёв — P-N-P или N-P-N.
• Три вывода биполярного транзистора называются эмиттер, база и коллектор.
• Транзистор работает как регулятор тока, в котором посредством изменения малого тока базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Количество тока, протекающего через коллектор определяется в первую очередь током, движущемся между базой и эмиттером.
• Для корректной работы транзистора, управляющий ток (ток базы) и управляемый ток (ток коллектора) должны течь в правильных направлениях. При этом они объединяются на эмиттере и движутся в направлении противоположном стрелке.

Нравится

Твитнуть

Теги Конструирование

Сюжеты Конструирование

Тактические фонари и профессиональная светотехника.

Тактические и профессиональные фонари. В первую очередь, это светотехнические средства, пригодные для применения в экстремальных и сложных условиях, а так же техника, оптимизированная для узкого спектра задач, например подствольные фонари или фонари для дайвинга.

14719 0

Активная распределенная антенная система

Активная распределенная антенная система представляет собой двунаправленный репитер, который усиливает и дублирует выходной сотовый сигнал внутри одного помещения.

Усиленный сигнал дублируется с помощью внутренней антенны. Подобным образом дублируется сотовый сигнал и за пределами здания.

6761 0

Интегратор

Для схемы данного интегратора подойдёт практически любая модель операционного усилителя, но в списке необходимых компонентов указана модель 1458, так как входные токи смещения этого ОУ гораздо выше. Как правило, высокий входной ток смещения считается плохой стороной того или иного операционного усилителя, если он используется в схеме усилителя постоянного тока (и особенно в схеме интегратора!).

8333 0

Комментарии (0)

Вы должны авторизоваться, чтобы оставлять комментарии.

Вход

Что такое биполярный транзистор. Биполярный транзистор

Содержание

• 1 Виды транзисторов
  • 1.1 Биполярный транзистор
  • 1.2 Особенности устройства биполярного транзистора
  • 1.3 Принцип работы биполярного транзистора
• 2 Схемы включения
  • 2.1 Схема включения с общей базой
  • 2. 2 Схема включения с общим эмиттером
  • 2.3 Схема с общим коллектором
• 3 Основные параметры
  • 3.1 Токи в транзисторе
  • 3.2 Инверсный активный режим
• 4 Режим насыщения
  • 4.1 Режим отсечки
  • 4.2 Барьерный режим
  • 4.3 Работа биполярного транзистора.
• 5 Простейший усилитель на биполярном транзисторе
  • 5.1 Описание основных элементов цепи
  • 5.2 Расчет входного тока базы Ib
• 6 Расчет выходного тока коллектора IС
  • 6.1 Расчет выходного напряжения Vout
  • 6.2 Анализ результатов
• 7 Транзистор в ключевом режиме
  • 7.1 Эмиттерный повторитель

 

Виды транзисторов

Транзисторы бывают в основном двух видов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.  Конечно можно было рассмотреть все виды транзисторов в одной статье, но мне не хочется варить кашу  у вас в голове. Поэтому в этой статье мы рассмотрим исключительно биполярные транзисторы а о полевых транзисторах я расскажу в одной из следующих статей. Не будем все мешать в одну кучу  а уделим внимание каждому, индивидуально.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор это потомок ламповых триодов, тех что стояли в телевизорах 20 -го века. Триоды ушли в небытие и уступили дорогу более функциональным собратьям — транзисторам, а точнее биполярным транзисторам.

Триоды за редким исключением применяют в аппаратуре для меломанов.

Биполярные транзисторы выглядеть могут  так.

Как вы можете видеть биполярные транзисторы имеют три вывода и конструктивно они могут выглядеть совершенно по разному. Но на электрических схемах они выглядят простенько и всегда одинаково. И все это графическое великолепие,  выглядит как-то так.

Это изображение транзисторов еще называют УГО (Условное графическое обозначение).

Причем биполярные транзисторы могут иметь различный тип проводимости. Есть транзисторы NPN типа и PNP типа.

Отличие n-p-n транзистора от p-n-p транзистора состоит лишь в том что является «переносчиком» электрического заряда (электроны или «дырки» ). Т.е. для p-n-p транзистора электроны перемещаются от эмиттера к коллектору и управляются базой. Для n-p-n транзистора электроны идут уже от коллектора к эмиттеру и управляются базой.    В итоге приходим к тому, что для того чтобы в схеме заменить транзистор одного типа проводимости на другой достаточно изменить полярность приложенного напряжения. Или тупо поменять полярность источника питания.

У биполярных транзисторов есть три вывода: коллектор, эмиттер и база. Думаю, что по УГО будет сложно запутаться, а вот в реальном транзисторе запутаться проще простого.

Обычно где какой вывод определяют по справочнику, но можно просто  прозвонить транзистор мультиметром. Выводы транзистора звонятся как два диода, соединенные в общей точке (в области базы транзистора).

Слева изображена картинка для транзистора p-n-p типа,  при прозвонке  создается ощущение (посредством показаний мультиметра ), что перед вами два диода которые соединены в одной точке своими катодами.

Для транзистора  n-p-n типа  диоды в точке базы соединены своими анодами. Думаю после экспериментов с мультиметром будет более понятно.

 

Особенности устройства биполярного транзистора

Биполярный транзистор включает в себя три области:

• эмиттер;
• базу – очень тонкую, которая изготавливается из слаболегированного полупроводника, сопротивление этой области высокое;
• коллектор – его область больше по размерам, чем область эмиттера.

К каждой области припаяны металлоконтакты, служащие для подсоединения прибора в электроцепь.

Электропроводность коллектора и эмиттера одинакова и противоположна электропроводности базы. В соответствии с видом проводимости областей, различают p-n-p или n-p-n приборы. Устройства являются несимметричными из-за разницы в площади контакта – между эмиттером и базой она значительно ниже, чем между базой и коллектором. Поэтому К и Э поменять местами путем смены полярности невозможно.

Принцип работы биполярного транзистора

Этот тип транзистора имеет два перехода:

• электронно-дырочный между эмиттером и базой – эмиттерный;
• между коллектором и базой – коллекторный.

Дистанция между переходами маленькая. Для высокочастотных деталей она составляет менее 10 мкм, для низкочастотных – до 50 мкм. Для активации прибора на него подают напряжение от стороннего ИП. Принцип действия биполярных транзисторов с p-n-p и n-p-n переходами одинаков. Переходы могут функционировать в прямом и обратном направлениях, что определяется полярностью подаваемого напряжения.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх.

Схема включения с общей базой

Схема включения с общей базой.Основная статья: Усилительный каскад с общей базой

• Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iэ = α [α
• Входное сопротивление Rвх = Uвх/Iвх = Uэб/Iэ.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

• Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
• Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

• Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
• Малое входное сопротивление

Схема включения с общим эмиттером

Схема включения с общим эмиттером.
Iвых = Iк
Iвх = Iб
Uвх = Uбэ
Uвых = Uкэ.Основная статья: Каскад с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iк/Iб = Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = Uбэ/Iб.

Достоинства

• Большой коэффициент усиления по току.
• Большой коэффициент усиления по напряжению.
• Наибольшее усиление мощности.
• Можно обойтись одним источником питания.
• Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

• Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

Схема с общим коллектором

Схема включения с общим коллектором.
Iвых = Iэ
Iвх = Iб
Uвх = Uбк
Uвых = Uкэ.Основная статья: Эмиттерный повторитель

• Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх = Iэ/Iб = Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
• Входное сопротивление: Rвх = Uвх/Iвх = (Uбэ + Uкэ)/Iб.

Достоинства

• Большое входное сопротивление.
• Малое выходное сопротивление.

Недостатки

• Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют «эмиттерным повторителем».

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
  • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • rб — поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h21 = Um1/Im1, при Um2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h22 = Um1/Um2, при Im1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h31 = Im2/Im1, при Um2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h32 = Im2/Um2, при Im1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

Um1 = h21Im1 + h22Um2;Im2 = h31Im1 + h32Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: Im1 = Imб, Im2 = Imк, Um1 = Umб-э, Um2 = Umк-э. Например, для данной схемы:

h31э = Imк/Imб = β.

Для схемы ОБ: Im1 = Imэ, Im2 = Imк, Um1 = Umэ-б, Um2 = Umк-б.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Токи в транзисторе

Токи в биполярном транзисторе

Токи в биполярном транзисторе имеют две основных составляющих.

• Ток основных носителей эмиттера IЭ, который частично проходит в коллектор, образуя ток основных носителей коллектора Iк осн, частично рекомбинирует с основными носителями базы, образуя рекомбинантный ток базы Iбр.
• Ток неосновных носителей коллектора, который течёт через обратно смещённый коллекторый переход, образуя обратный ток коллектора Iкбо.

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ<0; UЭБ>0 (для транзистора n-p-n типа).

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ. нас) и коллектора (IК. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию UЭБ<0,6—0,7 В, или IБ=0

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором.
Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного
транзистора. Для примера возьмем
модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет
противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы —
дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В
транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает
концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером VКЭ (VCE).
Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора.
Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера.
Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером VBE, но значительно ниже чем VCE
(для кремниевых транзисторов минимальное необходимое VBE
— 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения
подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до
N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе.
Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать).
Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация
дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше.
Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая,
все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру IBE,
и большой — от коллектора к эмиттеру ICE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще
больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и
значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом
изменении тока базы IB,
сильно меняется ток коллектора IС.
Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора IС к току базы IB называется коэффициентом усиления по току.
Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = IC / IB

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы.
Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для
понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов
в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

Расчет входного тока базы Ib

Теперь посчитаем ток базы Ib. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (Vmax) и минимальном (Vmin). Назовем эти значения тока соответственно — Ibmax и Ibmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер VBE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером VBE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (VE = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (VB = 0.6V).

Расчет выходного тока коллектора IС

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( Icmax и Icmin).

Расчет выходного напряжения Vout

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя Vout. В данной цепи — это напряжение на коллекторе VC.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали.

Анализ результатов

Как видно из результатов, VCmax получился меньше чем VCmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе VRc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение Vout/Vin в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток Ib, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод Vout поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Транзистор в ключевом режиме

Транзистор в ключевом режиме это один из случаев транзисторных схем с общим эмиттером. Схема транзистора в ключевом режиме применяется очень часто. К этой транзисторной схеме прибегают к примеру когда нужно управлять мощной нагрузкой посредством микроконтроллера. Ножка контроллера не способна тянуть мощную нагрузку, а транзистор может. Получается контроллер управляет транзистором, а транзистор мощной нагрузкой. Ну а обо всем по порядку.

Основная суть этого режима заключается в том, что ток базы управляет током коллектора. Причем ток коллектора гораздо больше тока базы. Здесь невооруженным взглядом видно, что происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания.

На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

Для транзисторных схем напряжения не играют большой роли, важны лишь токи.  Поэтому, если отношение тока коллектора к току базы меньше коэффициента усиления транзистора то все окей.

В этом случае даже если к базе у нас приложено напряжение в 5 вольт а в цепи коллектора 500 вольт, то ничего страшного не произойдет, транзистор будет покорно переключать высоковольтную нагрузку.

Главное чтобы  эти напряжения не превышали предельные значения для конкретного транзистора (задается в характеристиках транзистора).

Чтож, теперь давайте попробуем рассчитать значение базового резистора.

На сколько мы знаем, что значение тока это характеристика нагрузки.

Т.е. I=U/R

Мы не знаем сопротивления лампочки, но мы знаем рабочий ток лампочки 100 мА. Чтобы транзистор открылся и обеспечил протекание такого тока, нужно подобрать соответствующий ток базы. Ток базы мы можем корректировать меняя номинал базового резистора.

Так как минимальное значение коэффициента усиления транзистора равно 10, то для открытия транзистора ток базы должен стать 10 мА.

Ток который нам нужен известен. Напряжение на базовом резисторе будет Такое значение напряжения на резисторе получилось из-зи  того, что на переходе база-эмиттер высаживается 0,6В-0,7В и это надо не забывать учитывать.

В результате  мы вполне можем найти сопротивление резистора

Осталось выбрать из ряда резисторов конкретное значение и дело в шляпе.

Теперь вы наверное думаете, что транзисторный ключ будет работать так как нужно? Что когда базовый резистор подключается к +5 В лампочка загорается, когда отключается -лампочка гаснет? Ответ может быть да а может и нет.

Все дело в том, что здесь есть небольшой нюанс.

Лампочка в том случае погаснет, когда потенциал резистора будет равен потенциалу земли. Если же резистор просто отключен от источника напряжения, то здесь не все так однозначно. Напряжение на базовом резисторе  может возникнуть чудесным образом в результате наводок или еще какой потусторонней нечисти

Чтобы такого эффекта не происходило делают следующее. Между базой и эмиттером подключают еще один резистор  Rбэ. Этот резистор выбирают номиналом как минимум в 10 раз больше базового резистора Rб (В нашем случае  мы взяли резистор 4,3кОм).

Когда база подключена к какому-либо напряжению, то транзистор работает как надо, резистор Rбэ ему не мешает. На этот резистор расходуется лишь малая часть базового тока.

В случае, когда напряжение к базе не приложено, происходит подтяжка базы к потенциалу земли, что избавляет нас от всяческих наводок.

Вот в принципе мы разобрались с работой транзистора в ключевом режиме, причем как вы могли убедиться ключевой режим работы это своего рода усиление сигнала по напряжению. Ведь мы с помощью малого напряжения в 5В управляли напряжением в 12 В.

Эмиттерный повторитель

Эмиттерный повторитель является частным случаем транзисторных схем с общим коллектором.

Отличительной чертой схемы с общим коллектором от схемы с общим эмиттером (вариант с транзисторным ключем) является то, что эта схема не усиливает сигнал по напряжению. Что вошло через базу, то и вышло через эмиттер, с тем же самым напряжением.

Действительно допустим приложили к базе мы 10 вольт, при этом мы знаем что на переходе база-эмиттер высаживается где-то 0,6-0,7В. Выходит что на выходе (на эмиттере, на нагрузке Rн) будет напряжение базы минус 0,6В.

Получилось 9,4В, одним словом почти сколько вошло столько и вышло. Убедились, что по напряжению эта схема нам сигнал не увеличит.

«В чем же смысл тогда таком включении транзистора?»- спросите вы. А вот оказывается эта схема обладает другим очень важным свойством.  Схема включения транзистора с общим коллектором усиливает сигнал по мощности. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! Ток в нагрузке складывается из тока базы плюс ток коллектора. Но если сравнивать ток базы и ток коллектора то ток базы очень мал по сравнению с током коллектора. Получается ток нагрузки равен току коллектора.  И в результате получилась вот такая формула.

Теперь я думаю понятно в чем суть  схемы эмиттерного повторителя, только это еще не все.

Эмиттерный повторитель обладает еще одним очень ценным качеством — высоким входным сопротивлением. Это означает, что эта транзисторная схема почти не потребляет ток входного сигнала и не создает нагрузки для схемы -источника сигнала.

Для понимания принципа работы транзистора этих двух транзисторных схем будет вполне достаточно. А если вы еще поэкспериментируете с паяльником в руках то прозрение просто не заставит себя ждать, ведь теория теорией а практика и личный опыт ценнее в сотни раз!

Устройство и принцип работы биполярного транзистора

Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Всем доброго времени суток! В сегодняшней статье мы положим начало обсуждению очень важной и обширной темы, а именно транзисторам Разберем теоретические аспекты работы, устройство, виды, рассмотрим принцип работы на практических примерах, методику расчета схем, в общем, постараемся затронуть абсолютно все!

Чтобы обсуждение было максимально структурированным и понятным, материал будет разбит на четкие разделы и разные статьи. А, поскольку транзисторы сразу же можно разделить на два крупных класса, а именно – биполярные и полевые, то так и поступим – начнем с подробного разбора биполярных и, изучив их полностью, перейдем к полевым.

Принцип работы биполярного транзистора

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления по току и может составлять величину от нескольких единиц до нескольких сотен.

Интересно отметить, что у маломощных транзисторов он чаще всего больше, чем у мощных (а не наоборот, как можно было бы подумать).

Это напоминает работу полевого транзистора (ПТ).

Разница в том, что в отличие от затвора ПТ, при управлении ток базы всегда присутствует, т.е. на управление всегда тратится какая-то мощность.

Чем больше напряжение между эмиттером и базой, тем больше ток базы и, соответственно, больше ток коллектора. Однако любой транзистор имеет максимально допустимые значения напряжений между эмиттером и базой и между эмиттером и коллектором. За превышение этих параметров придется расплачиваться новым транзистором.

В рабочем режиме обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор закрыт.

Биполярный транзистор, подобно реле, может работать и в ключевом режиме. Если подать некоторый достаточный ток в базу (замкнуть кнопку S1), транзистор будет хорошо открыт. Лампа зажжется.

При этом сопротивление между эмиттером и коллектором будет небольшим.

Падение напряжения на участке эмиттер – коллектор будет составлять величину в несколько десятых долей вольта.

Если затем прекратить подавать ток в базу (разомкнуть S1), транзистор закроется, т.е. сопротивление между эмиттером и коллектором станет очень большим.

Лампа погаснет.

Характеристики биполярного транзистора.

Выделяют несколько основных характеристик транзистора, которые позволяют понять, как он работает, и как его использовать для решения задач.

И первая на очереди – входная характеристика, которая представляет из себя зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при определенном значении напряжения коллектор-эмиттер:

I_{б} = f(U_{бэ}), \medspace при \medspace U_{кэ} = const

В документации на конкретный транзистор обычно указывают семейство входных характеристик (для разных значений U_{кэ}):

Входная характеристика, в целом, очень похожа на прямую ветвь . При U_{кэ} = 0 характеристика соответствует зависимости тока от напряжения для двух p-n переходов включенных параллельно (и смещенных в прямом направлении). При увеличении U_{кэ} ветвь будет смещаться вправо.

Переходим ко второй крайне важной характеристике биполярного транзистора – выходной! Выходная характеристика – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном токе базы. I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

I_{к} = f(U_{кэ}), \medspace при \medspace I_{б} = const

Для нее также указывается семейство характеристик для разных значений тока базы:

Видим, что при небольших значениях U_{кэ} коллекторный ток увеличивается очень быстро, а при дальнейшем увеличении напряжения – изменение тока очень мало и фактически не зависит от U_{кэ} (зато пропорционально току базы). Эти участки соответствуют разным .

Для наглядности можно изобразить эти режимы на семействе выходных характеристик:

Участок 1 соответствует активному режиму работы транзистора, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Как вы помните, в данном режиме незначительный ток базы управляет током коллектора, имеющим бОльшую величину.

Для управления током базы мы увеличиваем напряжение U_{бэ}, что в соответствии со входными характеристиками приводит к увеличению тока базы. А это уже в соответствии с выходной характеристикой в активном режиме приводит к росту тока коллектора. Все взаимосвязано

Небольшое дополнение. На этом участке выходной характеристики ток коллектора все-таки незначительно зависит от напряжения U_{кэ} (возрастает с увеличением напряжения). Это связано с процессами, протекающими в биполярном транзисторе. А именно – при росте напряжения на коллекторном переходе его область расширяется, а соответственно, толщина слоя базы уменьшается. Чем меньше толщина базы, тем меньше вероятность рекомбинации носителей в ней. А это, в свою очередь, приводит к тому, что коэффициент передачи тока \beta, несколько увеличивается. Это и приводит к увеличению тока коллектора, ведь:

I_к = \beta I_б

Двигаемся дальше!

На участке 2 транзистор находится в режиме насыщения. При уменьшении U_{кэ} уменьшается и напряжение на коллекторном переходе U_{кб}. И при определенном значении U_{кэ} = U_{кэ \medspace нас} напряжение на коллекторном переходе меняет знак и переход оказывается смещенным в прямом направлении. То есть в активном режиме у нас была такая картина – эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. В режиме же насыщения оба перехода смещены в прямом направлении.

В этом режиме основные носители заряда начинают двигаться из коллектора в базу – навстречу носителям заряда, которые двигаются из эмиттера в коллектор. Поэтому при дальнейшем уменьшении U_{кэ} ток коллектора уменьшается. Кроме того, в режиме насыщения транзистор теряет свои усилительные свойства, поскольку ток коллектора перестает зависеть от тока базы.

Режим насыщения часто используется в схемах ключей на транзисторе. В одной из следующих статей мы как раз займемся практическими расчетами реальных схем и там используем рассмотренные сегодня характеристики биполярного транзистора!

И, наконец, область 3, лежащая ниже кривой, соответствующей I_{б} = 0. Оба перехода смещены в обратном направлении, протекание тока через транзистор прекращается. Это так называемый режим отсечки.

Все параметры транзисторов довольно-таки сильно зависят как друг от друга, так и от температуры, поэтому в документации приводятся характеристики для разных значений. Вот, например, зависимость коэффициента усиления по току (в зарубежной документации обозначается как h_{FE}) от тока коллектора для биполярного транзистора BC847:

Как видите, коэффициент усиления не просто зависит от тока коллектора, но и от температуры окружающей среды! Разным значениям температуры соответствуют разные кривые.

Полевые

Суть этого прибора заключается в управлении параметрами электрического сигнала с помощью электрического поля. Оно появляется при подаче напряжения к какому-либо из выводов:

• Затвор нужен для регулирования параметров сигнала, благодаря подаче напряжения на него.
• Сток — вывод, через который из канала уходят носители заряда (дырки и электроны).
• Исток — вывод, через который в канал приходят электроны и дырки.

Такой транзистор состоит из полупроводника с определённой проводимостью и двух областей, помещённых в него с противоположной проводимостью. При подаче напряжения на затвор между этими двумя областями появляется пространство, через которое протекает ток. Это пространство называется каналом. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое мы подаём на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Транзистор.

Теперь поговорим о приборе с изолированным затвором. Разница в том, что в первом случае этот переход есть всегда, даже когда на затвор не подавалось напряжение. А при его подаче, переход и токопроводящий канал менялись в зависимости от полярности и амплитуды напряжения. Металлический затвор в таких транзисторах изолирован диэлектриком от полупроводниковой области. Их входное сопротивление гораздо больше.

Существует два вида приборов с изолированным затвором:

• со встроенным каналом.
• с индуцированным каналом.

Встроенный канал позволяет протекать электрическому току с определённой амплитудой. При подаче напряжения с определённой амплитудой и полярностью мы можем менять ширину канала и его проводимость. Этот канал встраивается в транзисторы на производственных предприятиях.

Индуцированный канал появляется между двумя областями, о которых мы говорили выше, только при подаче напряжения определённой полярности на затвор. То есть, когда на затвор напряжение не подаётся, ток в нем не протекает.

Все виды полевых транзисторов отличаются друг от друга по следующим параметрам:

• Входное сопротивление.
• Амплитуда напряжения.
• Полярность.

Каждый из этих видов полевых транзисторов необходим для сборки определённых электрических и логических схем. Так как для реализации двух разных устройств необходимо разные электрические параметры.

Основные параметры

• Коэффициент передачи по току.
• Входное сопротивление.
• Выходная проводимость.
• Обратный ток коллектор-эмиттер.
• Время включения.
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
• Обратный ток коллектора.
• Максимально допустимый ток.
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

• коэффициент усиления по току α;
• сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r_э, r_к, r_б, которые представляют собой:
  • r_э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  • r_к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  • r_б — поперечное сопротивление базы.

h

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h₁₁ = U_m1/I_m1, при U_m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h₁₂ = U_m1/U_m2, при I_m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h₂₁ = I_m2/I_m1, при U_m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h₂₂ = I_m2/U_m2, при I_m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U_m1 = h₁₁I_m1 + h₁₂U_m2;

I_m2 = h₂₁I_m1 + h₂₂U_m2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I_m1 = I_mб, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mб-э, U_m2 = U_mк-э. Например, для данной схемы:

h_21э = I_mк/I_mб = β.

Для схемы ОБ: I_m1 = I_mэ, I_m2 = I_mк, U_m1 = U_mэ-б, U_m2 = U_mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h21∍=rδ+r∍1−α{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}};

h22∍≈r∍rκ(1−α){\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}};

h31∍=β=α1−α{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}};

h32∍≈1rκ(1−α){\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C_к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C_э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r_э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе.
Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τ_з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ_ф. Временем включения транзистора называется τ_вкл = τ_з + τ_ф.

Графические иллюстрации характеристик

Рис. 1. Внешняя характеристика транзистора в схеме с общим эмиттером. Зависимость коллекторной нагрузки I_C от напряжения коллектор-эмиттер U_CE при различных токах (управления) базы I_B.

Рис. 2. Зависимость статического коэффициента усиления по току от коллекторной нагрузки I_C.

Зависимость снята при импульсном напряжении коллектор-эмиттер U_CE = 5 В.

Рис. 3. Зависимости напряжений насыщения коллектор-эмиттер U_CE(sat) и эмиттер-база U_BE(sat) от величины коллекторной нагрузки I_C.

Зависимость снята при соотношении амплитуд импульсов токов коллектора и базы I_C/I_B = 5.

Рис. 4. Снижение предельной токовой нагрузки I_C в области безопасной работы транзистора при увеличении температуры корпуса прибора T_C.

Кривая «Dissipation Limited» — снижение токовой нагрузки в результате общего перегрева п/п структуры.

Кривая «S/b Limited» — снижение токовой нагрузки для исключения вторичного пробоя п/п структуры локально, в местах повышенной плотности тока.

Определение теплового режима транзистора во многом сводится к определению рассеиваемой мощности и соотнесению её с областью безопасной работы транзистора (ОБР). Для транзистора, работающего в ключевом режиме, приходится учитывать потери на коммутационных интервалах, а также ряд особенностей, определяемых реактивными свойствами коллекторной цепи и источника питания.

Рис. 5. Область безопасной работы транзистора, определена при температуре среды T_a = 25°С при нагрузке транзистора одиночными импульсами (Single Pulse) различной длительности: PW = 10 мкс; 50 мкс; 100 мс; 300 мкс; 1,0 мс; 10 мс; 100 мс.

Выделяются 4 участка ограничивающих линий предельного тока коллектора:

1. горизонтальный – предельный ток транзистора, определяющий устойчивость паяных соединений. При возрастании температуры корпуса вводится поправка согласно графику Рис. 4;
2. участок «Dissipation Limited» – предельный ток, ограничивающий общий нагрев п/п структуры;
3. участок «S/b Limited» — ограничение тока исходя из недопущения вторичного пробоя п/п структуры;
4. вертикальный участок – предельное напряжение коллектор-эмиттер, не приводящее к лавинному пробою п/п структуры.

Характеристики ОБР по Рис. 5 подходят для анализа безопасной работы транзистора при резистивном или емкостном характере нагрузки, а также при любой нагрузке на интервале проводимости (t_on). См. диаграмму тока коллектора в импульсном режиме выше.

В схеме с индуктивной нагрузкой на коммутационном интервале (t_stg + t_f), при восстановлении непроводящего состояния, возникающие на транзисторе пиковые перенапряжения могут превышать критические значения и вызвать пробой п/п структуры. Для уменьшения перенапряжений вводятся ограничители напряжения: снабберные RC-цепи, активные ограничители и т. п. Для уменьшения потерь (уменьшения длительности коммутационного интервала) в цепь управления (базы) транзистора вводится отрицательное напряжение смещения.

Увеличение напряжений при вводе отрицательного смещения и ограничение коллекторного тока отражаются на конфигурации ОБР. Такая ОБР является неотъемлемой характеристикой работы транзистора в переключающем режиме с индуктивной нагрузкой.

Рис. 6. Область безопасной работы с обратным смещением. Характеристика снята при условии T_c ≤ 100°C.

Увеличение U_CEX(sus) при значительном ограничении тока коллектора – результат ввода ограничителей коммутационных перенапряжений до уровня 450 В.

Условиями безопасной (корректной) работы транзистора в ключевом режиме является выполнение следующих условий:

• непревышение температурных ограничений по структуре в целом;
• токи и напряжения на интервале включения (t_on) не превышают ограничений ОБР;
• токи и напряжения на интервале выключения (t_stg + t_f) не превышают ограничений ОБР с обратным смещением.

Устройство и принцип действия

Транзистор — электронный полупроводник, состоящий из 3 электродов, одним из которых является управляющий. Транзистор биполярного типа отличается от полярного наличием 2 типов носителей заряда (отрицательного и положительного).

Отрицательные заряды представляют собой электроны, которые высвобождаются из внешней оболочки кристаллической решетки. Положительный тип заряда, или дырки, образуются на месте высвобожденного электрона.

Устройство биполярного транзистора (БТ) достаточно простое, несмотря на его универсальность. Он состоит из 3 слоев проводникового типа: эмиттера (Э), базы (Б) и коллектора (К).

Эмиттер (от латинского «выпускать») — тип полупроводникового перехода, основной функцией которого является инжекция зарядов в базу. Коллектор (от латинского «собиратель») служит для получения зарядов эмиттера. База является управляющим электродом.

Слои эмиттерный и коллекторный почти одинаковые, однако отличаются степенью добавления примесей для улучшения характеристик ПП. Добавление примесей называется легированием. Для коллекторного слоя (КС) легирование выражено слабо для повышения коллекторного напряжения (Uк). Эмиттерный полупроводниковый слой легируется сильно для того, чтобы повысить обратное допустимое U пробоя и улучшить инжекцию носителей в базовый слой (увеличивается коэффициент передачи по току — Kт). Слой базы легируется слабо для обеспечения большего сопротивления (R).

Переход между базой и эмиттером меньший по площади, чем К-Б. Благодаря разнице в площадях и происходит улучшение Кт. При работе ПП переход К-Б включается со смещением обратного типа для выделения основной доли количества теплоты Q, которое рассеивается и обеспечивает лучшее охлаждение кристалла.

Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя (БС). Эта зависимость является величиной, изменяющейся по обратно пропорциональному соотношению. При меньшей толщине — большее быстродействие. Эта зависимость связана с временем пролета носителей заряда. Однако при этом снижается Uк.

Между эмиттером и К протекает сильный ток, называемый током К (Iк). Между Э и Б протекает ток маленькой величины — ток Б (Iб), который используется для управления. При изменении Iб произойдет изменение Iк.

У транзистора два p-n перехода: Э-Б и К-Б. При активном режиме Э-Б подключается со смещением прямого типа, а подключение К-Б происходит с обратным смещением. Так как переход Э-Б находится в открытом состоянии, то отрицательные заряды (электроны) перетекают в Б. После этого происходит их частичная рекомбинация с дырками. Однако большая часть электронов достигает К-Б из-за малой легитивности и толщины Б.

В БС электроны являются неосновными носителями заряда, и электромагнитное поле помогает им преодолеть переход К-Б. При увеличении Iб произойдет расширение открытия Э-Б и между Э и К пробежит больше электронов. При этом произойдет существенное усиление сигнала низкой амплитуды, т. к. Iк больше, чем Iб.

Watch this video on YouTube

Для того чтобы проще понять физический смысл работы транзистора биполярного типа, нужно ассоциировать его с наглядным примером. Нужно предположить, что насос для закачки воды является источником питания, водопроводный кран — транзистором, вода — Iк, степень поворота ручки крана — Iб. Для увеличения напора нужно немного повернуть кран — совершить управляющее действие. Исходя из примера можно сделать вывод о простом принципе работы ПП.

Однако при существенном увеличении U на переходе К-Б может произойти ударная ионизация, следствием которой является лавинное размножение заряда. При комбинации с тоннельным эффектом этот процесс дает электрический, а с увеличением времени и тепловой пробой, что выводит ПП из строя. Иногда тепловой пробой наступает без электрического в результате существенного увеличения тока через выход коллектора.

Кроме того, при изменении U на К-Б и Э-Б меняется толщина этих слоев, если Б тонкая, то происходит эффект смыкания (его еще называют проколом Б), при котором происходит соединение переходов К-Б и Э-Б. В результате этого явления ПП перестает выполнять свои функции.

Модули IGBT

Для снижения количества внешних элементов выпускают модули на базе IGBT. Они могут содержать дополнительные транзисторы, диоды и другие компоненты.

Такая конструкция облегчает ремонт преобразователей, позволяет наращивать мощность устройств путем установки дополнительных модулей.

Для коммутации больших токов, превышающих допустимое значение для одного транзистора, можно подключать модули параллельно.

В этом случае выбирают транзисторы IGBT с одинаковым пороговым напряжением во включенном состоянии. Разница в параметрах приводит к несимметричному току на транзисторах. При параллельном включении также учитывают увеличившуюся входную емкость, драйвер управления должен обеспечить заданную скорость коммутации.

Устройство и принцип работы для начинающих

Технологии оперируют не только зарядом электричества, но и магнитным полем, световыми квантами и фотонами. Принцип действия транзистора заключается в состояниях, между которыми переключается устройство. Противоположный малый и большой сигнал, открытое и закрытое состояние — в этом заключается двойная работа приборов.

Вместе с полупроводниковым материалом в составе, используемого в виде монокристалла, легированного в некоторых местах, транзистор имеет в конструкции:

• выводы из металла;
• диэлектрические изоляторы;
• корпус транзисторов из стекла, металла, пластика, металлокерамики.

До изобретения биполярных или полярных устройств использовались электронные вакуумные лампы в виде активных элементов. Схемы, разработанные для них, после модификации применяются при производстве полупроводниковых устройств. Их можно было подключить как транзистор и применять, т. к. многие функциональные характеристики ламп годятся при описании работы полевых видов.

Транзисторные ключи

В основе большинства схем, используемых в вычислительных машинах, устройствах телеуправления, системах автоматического управления и т.п., лежат транзисторные ключи.

Схемах ключа на биполярном транзисторе и ВАХ показаны на рисунке:

Первое состояние «выключено» (транзистор закрыт) определяется точкой А1 на выходных характеристиках транзистора; его называют режимом отсечки. В режиме отсечки ток базы Iб = 0, коллекторный ток Iк1 равен начальному коллекторному току, а коллекторное напряжение Uк = Uк1 ≈ Ек. Режим отсечки реализуется при Uвх = 0 или при отрицательных потенциалах базы. В этом состоянии сопротивление ключа достигает максимального значения: Rmax = , где RT — сопротивление транзистора в закрытом состоянии, более 1 МОм.

Второе состояние «включено» (транзистор открыт) определяется точкой А2 на ВАХ и называется режимом насыщения. Из режима отсечки (А1) в режиме насыщения (А2) транзистор переводится положительным входным напряжением Uвх. При этом напряжение Uвых принимает минимальное значение Uк2 = Uк.э.нас порядка 0,2-1,0 B, ток коллектора Iк2 = Iк.нас ≈ Ек/Rк. Ток базы в режиме насыщения определяется из условия: Iб > Iб.нас = Iк.нас / h31.

Входное напряжение, необходимое для перевода транзистора в открытое состояние, определяется из условия: Uвх > Iб.нас · Rб + Uк.э.нас

Хорошая помехозащищенность и малая мощность, рассеиваемая в транзисторе, объясняется тем, что транзистор большую часть времени либо насыщен (А2), либо закрыт (А1), а время перехода из одного состояния в другое составляет малую часть от длительности этих состояний. Время переключения ключей на биполярных транзисторах определяется барьерными емкостями р-n-переходов и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда в базе.

Для повышения быстродействия и входного сопротивления применяются ключи на полевых транзисторах.

Схемы ключей на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом и с индуцированным каналом с общим истоком и общим стоком показаны на рисунке:

Для любого ключа на полевом транзисторе Rн > 10-100 кОм.

Управляющий сигнал Uвх на затворе порядка 10-15 В. Сопротивление полевого транзистора в закрытом состоянии велико, порядка 108-109 Ом.

Сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии может составлять 7-30 Ом. Сопротивление полевого транзистора по цепи управления может составлять 108-109 Ом. (схемы «а» и «б») и 1012-1014 Ом (схемы «в» и «г»).

Биполярные транзисторы. Характеристики и схемы соединений

Открытие полупроводников позволило создать не только диоды и тиристоры, но и тоже не менее популярные усилительные устройства – транзисторы. Они активно применяются в электронике и схемотехнике, а также современный прогресс позволил применять их и в силовой электронике. Более подробно мы рассмотрим биполярные транзисторы в этой статье.

Содержание:

• Структура и принцип работы транзистора
• Схемы соединения транзисторов
• Общая база
• Схема с общим эмиттером
• Схема с общим коллектором
• Мощность транзисторов
• Конструктивные особенности биполярных транзисторов

Структура и принцип работы транзистора

В отличии от тиристоров и диодов, транзистор имеет двух переходную структуру. Она может быть двух видов – p-n-p проводимость, в которой по средине расположен полупроводник с электронной проводимостью, а по бокам с дырочной. Схема ниже:

Или же n-p-n:

Каждый из этих переходов имеет особенности обычных диодов. Если к левому переходу приложить напряжение в прямом направлении (положительный потенциал к р-полупроводнику, а негативный к n-полупроводнику), то в левом переходе появится прямой ток. Основные носители начнут переходить с левого полупроводника в средний, где они станут уже не основными. Если же к правому переходу приложить напряжение обратной полярности, то основные носители не будут создавать ток. При этом будет существовать только ток, который создается неосновными носителями. Но если в средней зоне появится значительное количество неосновных носителей за счет диффузии через левый переход, то и в правом переходе ток возрастет. Таким образом можно регулировать ток правого перехода, изменением его в левом переходе. Средний полупроводник зовут базой (на схеме Б), тот, к которому напряжение приложено в прямом направлении – эмиттером (на схеме Е), а в обратном – коллектором (К). На рисунках выше показаны обозначение транзисторов на принципиальных схемах. Вывод эмиттера показан стрелкой. Поскольку в работе транзистора принимают участия носители обеих знаков – его называют биполярным.

Основные носители эмиттера, что проникают в базу, создают ток коллектора I_к, но некоторая их часть (примерно 1-2%) отправляется в базу. Все три тока подчиняются первому закону Кирхгофа I_E =I_б+I_к. если такое выражение справедливо для токов, то оно будет справедливо и для его приращений  ∆I_E =∆I_б+∆I_к.

Схемы соединения транзисторов

Существует три схемы соединения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и коллектором соответственно. Рассмотрим детальней каждую из них.

Общая база

Схема будет выглядеть так:

В данном случае входным током будет I_Е, а выходным I_К. Коэффициентом усиления называют зависимость приращения тока коллектора от тока эмиттера и он имеет вид h_21б=  ∆I_к/∆I_E. Поскольку ∆I_E =∆I_б+∆I_к, то h_21б<1. Обычно h_21б= 0,98÷0,99, поскольку I_б составляет 1-2% от I_E.

Вольт-амперная характеристика транзистора при отсутствии тока эмиттера представляет собой обратную характеристику диода (между коллектором и базой напряжение обратной полярности). Если создать ток между эмиттером и базой, возрастет ток (будем обозначать далее как I) коллектора. При различных значениях I_Е будут различные значения вольт-амперных характеристик транзистора, которые создают, так называемое семейство характеристик транзистора, которые приведены ниже:

Зависимость I от приложенного между ним и базой напряжения (входная характеристика транзистора) представляет собой ничто иное  как прямую ветку характеристику диода. Также на I эмиттера оказывает влияние и напряжение между коллектором и базой и чем оно выше, тем сильнее характеристика смещается влево, как показано на рисунке ниже:

Но данное смещение наблюдается только в промежутке от 0 до 10 В, при увеличении напряжений характеристики смещаться не будут. Поскольку большинство транзисторов работают при U_К>10 В, то входную характеристику считают независимой от входного напряжения.

Схема с общим эмиттером

Такая схема включения дает реальное усиление выходного тока I. Схема ниже:

Коэффициент усиления это как и раньше отношение выходного I к входному, но теперь входным будет I_Б, так что получим:

Если учесть что h_21б= 0,98÷0,99; имеем h_21Е= 50÷98, что значительно выше единицы. Это главное преимущество этой схемы.

Вольтамперные характеристики схемы с общим эмиттером ОЭ напоминают те, что соответствуют схеме с общей базой ОБ, но расположены в первом квадранте и показаны ниже:

Здесь имеем два p-n перехода с потенциальным барьером, электрические поля в которых направлены встречно и взаимно компенсируются, поэтому при U_К=0, коллекторный I не возникает. Характеристики будут смещаться относительно I_Б, который в данном случае будет входным.

Входная характеристика практически такая же, как и для схемы с ОБ, так как соответствует одному и тому же переходу, но из-за того, что полярность входного напряжения относительно коллекторного в этой схеме противоположная, характеристика при росте U_К смещается вправо и показана ниже:

И здесь она при U_К>10 В от дальнейшего возрастания U_К не зависит.

Для расчета и анализа усилителей необходимо использовать эквивалентную схему транзистора. Ее можно создать исходя из эквивалентной схемы диода. Поскольку транзистор являет собой два диода, совмещенных в одном корпусе, то эмиттерный переход будет находится под прямым напряжением. Чтоб учесть смещение входной характеристики в зависимости от входного напряжения коллектора, источник Е выразим как h_12БU_К, пропорциональным U_K. Сопротивление эмиттерного перехода обозначим как h_11Б. схема будет иметь следующий вид:

Схема с общим коллектором

Эта схема практически ничем не отличается от эмиттерной и ее эквивалентная схема может быть такой же. Но тому, что выходные (вольтамперные) характеристики практически горизонтальные, их пересечения с горизонтальной осью найти практически невозможно. Как известно из курса электротехники последовательное включение резистора с источником напряжения можно заменить на параллельное соединение резистора с источником тока, величина которого найдется как ордината точки пересечения характеристики с осью токов. Поскольку выходная характеристика будет смещаться относительно I_Е, учтем это путем введения источника тока h_21БI_Е, пропорционально входному I_Е. Наклон выходной характеристики определит нам проводимость коллекторного перехода, которая имеет обозначение h_22Б. Построенная таким образом схема будет полностью соответствовать эквивалентной схеме транзистора:

Буква Б в данном случае указывает на то, что данная схема соответствует соединению с общей базой ОБ.

Применив к левой части второй закон Кирхгофа, а к правой первый, получим:

Оба эти уравнения создают так называемую систему гибридных параметров, чем и обосновывается буква h. Если выписать все коэффициенты уравнений (параметры) в таблицу (определитель), то первый цифровой  индекс будет указывать на номер строки, а второй на номер столбца. При этом двое из этих параметров – коэффициент усиления тока h_21Б и коэффициент обратной связи по напряжению h_21Б размерности не имеют. Входное сопротивление h_11Б, измеряется в омах, а выходная проводимость h_22Б в сименсах.

Также для схемы с ОЭ существует такая  же система параметров и подобная эквивалентная схема:

Различие между схемами состоит в том, что вместо буквы Б использована буква Е. Уравнения для этой системы будут иметь вид:

На практике считается что h_12Б= h_12Э=0, поскольку при U_К>10 В смена коллекторного напряжения на выходную характеристику не влияет. Между параметрами различных схем соединений существуют следующие зависимости:

Мощность транзисторов

Все изготовляемые транзисторы разделяют на три основных группы по мощности, которая может быть выделена на коллекторе и равна произведению тока на напряжение, что приложено к коллектору:

• Транзисторы малой мощности, их мощность лежит в пределах 0<P_K<0,3 Вт;
• Транзисторы средней мощности – их пределы 0,3 Вт< P_K< 1,5 Вт;
• Мощные транзисторы Р_К больше 1,5 В.

Мощность ограничивается граничной температурой, при превышении которой может произойти тепловой пробой.

Конструктивные особенности биполярных транзисторов

На самом деле конструктивное оформление биполярных транзисторов довольно разнообразно. Давайте рассмотрим конструкцию этих элементов на примере транзистора, показанного ниже:

На массивном металлическом основании 4 размещают кристалл полупроводника 1, который имеет, к примеру, электронную проводимость. На противоположной стороне кристалла относительно грани сделаны две напайки 2 и 3 например с индию, под которым будут создаваться зоны с дырочной проводимостью. Один из этих элементов будет коллектором, а второй эмиттером – сам кристалл базой. Для всех элементов реализованы выводы, а вся конструкция накрыта корпусом во избежание механических повреждений и попадания влажности. Металлическая основа 4 отводит тепло от устройства. В более мощных устройствах могут применять радиаторы, для более высокой теплоотдачи.

Биполярный транзистор — Chip Stock

Биполярный транзистор

Приветствую вас дорогие друзья! Сегодня речь пойдет о биполярных транзисторах и информация будет полезна прежде всего новичкам. Так что, если вам интересно что такое транзистор, его принцип работы  и вообще с чем его едят, то берем  стул по удобнее и подходим поближе.

Продолжим, и у нас тут есть содержание,  будет удобнее ориентироваться в статье

Источник: http://popayaem.ru/bipolyarnyj-tranzistor-princip-raboty-dlya-chajnikov.html

Биполярные транзисторы. For dummies

Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.

Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь. Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru) Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs.

И это была, без преувеличения, революция в электронике. Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры.

И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой.

Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам. Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему? Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК).

В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу.

Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его.

Обратите внимание

Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно.

Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор. Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h31.

Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току.

Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора.

Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений.

Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц.

Важно

Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается.

Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е.

транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.

Также параметрами биполярного транзистора являются:

• обратный ток коллектор-эмиттер
• время включения
• обратный ток колектора
• максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

1. Инверсный активный режим. Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт.

   Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.

2. Режим насыщения. Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями.

   Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.

3. Режим отсечки. Оба перехода транзистора закрыты, т.е.

   ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.

4. Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением.

   Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников.

И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки.

Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно.

А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора.

Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора.

Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления.

Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала.

Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц. В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода. Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам.

Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.

Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется.

Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы.

Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей.

Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала.

Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus. ru/guide/transistors/mark_all.html и файл .xls (35 кб) .

Список источников:

http://ru.wikipedia.org
http://www.physics.ru
http://radiocon-net.narod.ru
http://radio.cybernet.name
http://dvo.sut.ru

Полезные комментарии:

Источник: https://habr.com/post/133136/

Биполярный транзистор

Биполярный
транзистор.

Биполярный
транзистор —
электронный полупроводниковый прибор,
один из типов транзисторов, предназначенный
для усиления, генерирования и преобразования
электрических сигналов.

Транзистор
называется биполярный,
поскольку в работе прибора одновременно
участвуют два типа носителей заряда
– электроны и дырки.

Этим он отличается от униполярного(полевого)
транзистора, в работе которого участвует
только один тип носителей заряда.

Принцип
работы обоих типов транзисторов похож
на работу водяного крана, который
регулирует водяной поток, только через
транзистор проходит поток электронов.

У биполярных транзисторов через прибор
проходят два тока — основной «большой»
ток, и управляющий «маленький» ток.
Мощность основного тока зависит от
мощности управляющего.

У полевых
транзисторов через прибор проходит
только один ток, мощность которого
зависит от электромагнитного поля. В
данной статье рассмотрим подробнее
работу биполярного транзистора.

Устройство
биполярного транзистора.

Биполярный
транзистор состоит из трех слоев
полупроводника и двух PN-переходов.
Различают PNP и NPN транзисторы по типу
чередования дырочной
и электронной проводимостей.
Это похоже на два диода,
соединенных лицом к лицу или наоборот.

У
биполярного транзистора три контакта
(электрода). Контакт, выходящий из
центрального слоя, называется база
(base). Крайние
электроды носят
названия коллектор и эмиттер (collector иemitter).

Совет

Прослойка базы очень тонкая относительно
коллектора и эмиттера. В дополнение к
этому, области полупроводников по краям
транзистора несимметричны. Слой
полупроводника со стороны коллектора
немного толще, чем со стороны эмиттера.

Это необходимо для правильной работы
транзистора.

Работа
биполярного транзистора.

Рассмотрим
физические процессы, происходящие во
время работы биполярного транзистора.
Для примера возьмем модель NPN. Принцип
работы транзистора PNP аналогичен, только
полярность напряжения между коллектором
и эмиттером будет противоположной.

Как
уже говорилось в статье
о типах проводимости в полупроводниках,
в веществе P-типа находятся положительно
заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа
насыщено отрицательно заряженными
электронами. В транзисторе концентрация
электронов в области N значительно
превышает концентрацию дырок в области
P.

Подключим
источник напряжения между коллектором
и эмиттером VКЭ (VCE).
Под его действием, электроны из верхней
N части начнут притягиваться к плюсу и
собираться возле коллектора. Однако
ток не сможет идти, потому что электрическое
поле источника напряжения не достигает
эмиттера. Этому мешает толстая прослойка
полупроводника коллектора плюс прослойка
полупроводника базы.

Теперь
подключим напряжение между базой и
эмиттером VBE,
но значительно ниже чем VCE (для
кремниевых транзисторов минимальное
необходимое VBE —
0.6V).

Поскольку прослойка P очень тонкая,
плюс источника напряжения подключенного
к базе, сможет «дотянуться» своим
электрическим полем до N области эмиттера.
Под его действием электроны направятся
к базе. Часть из них начнет заполнять
находящиеся там дырки (рекомбинировать).

Другая часть не найдет себе свободную
дырку, потому что концентрация дырок в
базе гораздо ниже концентрации электронов
в эмиттере.

В
результате центральный слой базы
обогащается свободными электронами.
Большинство из них направится в сторону
коллектора, поскольку там напряжение
намного выше. Так же этому способствует
очень маленькая толщина центрального
слоя. Какая-то часть электронов, хоть
гораздо меньшая, все равно потечет в
сторону плюса базы.

В
итоге мы получаем два тока: маленький
— от базы к эмиттеру IBE,
и большой — от коллектора к эмиттеру
ICE.

Если
увеличить напряжение на базе, то в
прослойке P собереться еще больше
электронов. В результате немного усилится
ток базы, и значительно усилится ток
коллектора.

Обратите внимание

Таким образом,при
небольшом изменении тока базы IB,
сильно меняеться ток коллектора IС.
Так и происходитусиление
сигнала в биполярном транзисторе.
Cоотношение тока коллектора IС к
току базы IBназывается
коэффициентом усиления по току.

Обозначается β, hfe или h31e,
в зависимости от специфики расчетов,
проводимых с транзистором.

β
= IC /
IB

Простейший
усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим
детальнее принцип усиления сигнала в
электрической плоскости на примере
схемы. Заранее оговорюсь, что такая
схема не совсем правильная.

Никто не
подключает источник постоянного
напряжения напрямую к источнику
переменного. Но в данном случае, так
будет проще и нагляднее для понимания
самого механизма усиления с помощью
биполярного транзистора.

Так же, сама
техника расчетов в приведенном ниже
примере носит несколько упрощенный
характер.

1.Описание
основных элементов цепи

Итак,
допустим в нашем распоряжении транзистор
с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со
стороны коллектора подключим относительно
мощный источник питания в 20V, за счет
энергии которого будет происходить
усиление. Со стороны базы транзистора
подсоединим слабый источник питания в
2V.

К нему последовательно подсоединим
источник переменного напряжения в форме
синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это
будет сигнал, который нужно усилить.
Резистор Rb возле базы необходим для
того, чтобы ограничить ток, идущий от
источника сигнала, обычно обладающего
слабой мощностью.

2.
Расчет входного тока базы Ib

Теперь
посчитаем ток базы Ib.
Поскольку мы имеем дело с переменным
напряжением, нужно посчитать два значения
тока – при максимальном напряжении
(Vmax)
и минимальном (Vmin).
Назовем эти значения тока соответственно
— Ibmax и
Ibmin.

Также,
для того чтобы посчитать ток базы,
необходимо знать напряжение база-эмиттер
VBE.
Между базой и эмиттером располагается
один PN-переход. Получается, что ток базы
«встречает» на своем пути полупроводниковый
диод. Напряжение, при котором
полупроводниковый диод начинает
проводить — около 0.6V.

Не будем вдаваться
в подробности вольт-амперных
характеристик диода,
и для простоты расчетов возьмем
приближенную модель, согласно которой
напряжение на проводящем ток диоде
всегда 0.6V. Значит, напряжение между
базой и эмиттером VBE =
0.6V.

А поскольку эмиттер подключен к
земле (VE =
0), то напряжение от базы до земли тоже
0. 6V (VB =
0.6V).

Посчитаем
Ibmax и
Ibmin с
помощью закона Ома:

2.
Расчет выходного тока коллектора IС

Важно

Теперь,
зная коэффициент усиления (β = 200), можно
с легкостью посчитать максимальное и
минимальное значения тока коллектора
( Icmax и
Icmin).

3.
Расчет выходного напряжения Vout

Осталось
посчитать напряжение на выходе нашего
усилителя Vout.
В данной цепи — это напряжение на
коллекторе VC.

Через
резистор Rc течет ток коллектора, который
мы уже посчитали. Осталось подставить
значения:

4.
Анализ результатов

Как
видно из результатов, VCmax получился
меньше чем VCmin.
Это произошло из-за того, что напряжение
на резисторе VRc отнимается
от напряжения питания VCC.

Однако в
большинстве случаев это не имеет
значения, поскольку нас интересует
переменная составляющая сигнала –
амплитуда, которая увеличилась c 0. 1V до
1V. Частота и синусоидальная форма сигнала
не изменились.

Конечно же, соотношение
Vout/Vin в
десять раз — далеко на самый лучший
показатель для усилителя, однако для
иллюстрации процесса усиления вполне
подойдет.

Итак,
подытожим принцип работы усилителя на
биполярном транзисторе. Через базу
течет ток Ib,
несущий в себе постоянную и переменную
составляющие. Постоянная составляющая
нужна для того чтобы PN-переход между
базой и эмиттером начал проводить –
«открылся».

Переменная составляющая –
это, собственно, сам сигнал (полезная
информация). Сила тока коллектор-эмиттер
внутри транзистора – это результат
умножения тока базы на коэффициент
усиления β.

Совет

В свою очередь, напряжение
на резисторе Rc над коллектором –
результат умножения усиленного тока
коллектора на значение резистора.

Таким
образом, на вывод Vout поступает
сигнал с увеличенной амплитудой
колебаний, но с сохранившейся формой и
частотой. Важно подчеркнуть, что энергию
для усиления транзистор берет у источника
питания VCC. Если напряжения питания
будет недостаточно, транзистор не сможет
полноценно работать, и выходной сигнал
может получится с искажениями.

Режимы
работы биполярного транзистора

В
соответствии уровням напряжения на
электродах транзистора, различают
четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим
отсечки

Когда
напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V —
0.7V, PN-переход между базой и эмиттером
закрыт. В таком состоянии у транзистора
отсутствует ток базы. В результате тока
коллектора тоже не будет, поскольку в
базе нет свободных электронов, готовых
двигаться в сторону напряжения на
коллекторе. Получается, что транзистор
как бы заперт, и говорят, что он находится
в режиме
отсечки.

Активный
режим

В активном
режиме напряжение
на базе достаточное, для того чтобы
PN-переход между базой и эмиттером
открылся. В этом состоянии у транзистора
присутствуют токи базы и коллектора.
Ток коллектора равняется току базы,
умноженном на коэффициент усиления.
Т.е активным режимом называют нормальный
рабочий режим транзистора, который
используют для усиления.

Режим
насыщения

Иногда
ток базы может оказаться слишком большим.
В результате мощности питания просто
не хватит для обеспечения такой величины
тока коллектора, которая бы соответствовала
коэффициенту усиления транзистора.

В
режиме насыщения ток коллектора будет
максимальным, который может обеспечить
источник питания, и не будет зависеть
от тока базы.

В таком состоянии транзистор
не способен усиливать сигнал, поскольку
ток коллектора не реагирует на изменения
тока базы.

В
режиме насыщения проводимость транзистора
максимальна, и он больше подходит для
функции переключателя (ключа) в состоянии
«включен». Аналогично, в режиме отсечки
проводимость транзистора минимальна,
и это соответствует переключателю в
состоянии «выключен».

Инверсный
режим

В
данном режиме коллектор и эмиттер
меняются ролями: коллекторный PN-переход
смещен в прямом направлении, а эмиттерный
– в обратном. В результате ток из базы
течет в коллектор.

Область полупроводника
коллектора несимметрична эмиттеру, и
коэффициент усиления в инверсном режиме
получается ниже, чем в нормальном
активном режиме.

Обратите внимание

Конструкция транзистора
выполнена таким образом, чтобы он
максимально эффективно работал в
активном режиме. Поэтому в инверсном
режиме транзистор практически не
используют.

Основные
параметры биполярного транзистора.

Коэффициент
усиления по току –
соотношение тока коллектора IС к
току базы IB.
Обозначаетсяβ, hfe или h31e,
в зависимости от специфики расчетов,
проводимых с транзисторов.

β
— величина постоянная для одного
транзистора, и зависит от физического
строения прибора. Высокий коэффициент
усиления исчисляется в сотнях единиц,
низкий — в десятках.

Для двух отдельных
транзисторов одного типа, даже если во
время производства они были “соседями
по конвейеру”, β может немного отличаться.
Эта характеристика биполярного
транзистора является, пожалуй, самой
важной.

Если другими параметрами прибора
довольно часто можно пренебречь в
расчетах, то коэффициентом усиления по
току практически невозможно.

Входное
сопротивление –
сопротивление в транзисторе, которое
«встречает» ток базы. Обозначается Rin (Rвх).

Чем оно больше — тем лучше для усилительных
характеристик прибора, поскольку со
стороны базы обычно находиться источник
слабого сигнала, у которого нужно
потреблять как можно меньше тока.

Идеальный вариант – это когда входное
сопротивление равняется бесконечность.

Rвх для
среднестатистического биполярного
транзистора составляет несколько сотен
КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор
очень сильно проигрывает полевому
транзистору, где входное сопротивление
доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная
проводимость —
проводимость транзистора между
коллектором и эмиттером. Чем больше
выходная проводимость, тем больше тока
коллектор-эмиттер сможет проходить
через транзистор при меньшей мощности.

Также
с увеличением выходной проводимости
(или уменьшением выходного сопротивления)
увеличивается максимальная нагрузка,
которую может выдержать усилитель при
незначительных потерях общего коэффициента
усиления.

Например, если транзистор с
низкой выходной проводимостью усиливает
сигнал в 100 раз без нагрузки, то при
подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже
будет усиливать всего в 50 раз. У
транзистора, с таким же коэффициентом
усиления, но с большей выходной
проводимостью, падение усиления будет
меньше.

Идеальный вариант – это когда
выходная проводимость равняется
бесконечность (или выходное сопротивление
Rout =
0 (Rвых =
0)).

Частотная
характеристика –
зависимость коэффициента усиления
транзистора от частоты входящего
сигнала. С повышением частоты, способность
транзистора усиливать сигнал постепенно
падает. Причиной тому являются паразитные
емкости, образовавшиеся в PN-переходах.

Важно

На изменения входного сигнала в базе
транзистор реагирует не мгновенно, а с
определенным замедлением, обусловленным
затратой времени на наполнение зарядом
этих емкостей.

Поэтому, при очень высоких
частотах, транзистор просто не успевает
среагировать и полностью усилить сигнал.

Источник: https://StudFiles.net/preview/2806732/

Биполярные транзисторы.

Виды и характеристики.Работа и устройство

Биполярные транзисторы это полупроводниковые приборы с тремя электродами, подключенными к трем последовательно находящимся слоям, с различной проводимости. В отличие от других транзисторов, которые переносят один тип заряда, он способен переносить сразу два типа.

Схемы подключения, использующие биполярные транзисторы, зависят от производимой работы и типа проводимости. Проводимость может быть электронной, дырочной.

Разновидности биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы разделяют по различным признакам на виды по:

• Материалу изготовления: кремний или арсенид галлия.
• Величине частоты: до 3 МГц – низкая, до 30 МГц – средняя, до 300 МГц – высокая, более 300 МГц – сверхвысокая.
• Наибольшей рассеиваемой мощности: 0-0,3 Вт, 0,3-3 Вт, свыше 3 Вт.
• Типу прибора: 3 слоя полупроводника с последовательной очередностью типа проводимости.

Устройство и работа

Слои транзистора, как внутренний, так и наружный, объединены с встроенными электродами, которые имеют свои названия в виде базы, эмиттера и коллектора.

Особых отличий по видам проводимости у коллектора и эмиттера не наблюдается, однако процент включения примесей у коллектора намного меньше, что позволяет повысить допустимое напряжение на выходе.

Средний слой полупроводника (база) имеет большую величину сопротивления, так как выполнена из слаболегированного материала. Она контактирует с коллектором на значительной площади.

Это позволяет повысить теплоотвод, который необходим вследствие выделения тепла от смещения перехода в другую сторону.

Хороший контакт базы с коллектором дает возможность легко проходить электронам, которые являются неосновными носителями.

Слои перехода выполнены по одному принципу. Однако биполярные транзисторы считаются несимметричными приборами. При чередовании крайних слоев местами с одной проводимостью нельзя образовать подобные параметры полупроводника

Схемы подключения транзисторов выполнены таким образом, что могут обеспечить ему как закрытое, так и открытое состояние. При активной работе, когда полупроводник открыт, смещение эмиттера выполнено в прямом направлении. Для полного понимания этой конструкции, нужно подключить напряжение питания по изображенной схеме.

При этом граница на 2-м переходе коллектора закрыта, ток через нее не идет. Практически возникает обратное явление ввиду рядом расположенных переходов, их влияния друг на друга.

Так как к эмиттеру подсоединен минусовой полюс батареи, то переход открытого вида дает возможность электронам проходить на базу, в которой осуществляется их рекомбинация с дырками, являющимися главными носителями. Появляется ток базы Iб.

Совет

Чем выше базовый ток, тем больше выходной ток. В этом заключается принцип действия усилителей.

По базе протекает только диффузионное движение электронов, так как нет работы электрического поля.

Из-за малой толщины этого слоя и значительном градиенте частиц, практически все они поступают на коллектор, хотя база имеет большое сопротивление. На переходе имеется электрическое поле, которое способствует переносу и втягивает их.

Токи эмиттера и коллектора одинаковые, если не считать малой потери заряда от перераспределения на базе: I э = I б + I к.

Характеристики

• Коэффициент усиления тока β = Iк / Iб.
• Коэффициент усиления напряжения Uэк / Uбэ.
• Сопротивление на входе.
• Характеристика частоты – возможность работы транзистора до определенной частоты, при выходе за границы которой процессы перехода опаздывают за изменением сигнала.

Режимы работ и схемы

Вид схемы влияет на режим действия биполярного транзистора. Сигнал может сниматься и отдаваться в двух местах для разных случаев, а электродов имеется три штуки. Следовательно, что один произвольный электрод должен быть сразу выходом и входом. По такому принципу подключаются все биполярные транзисторы, и имеют три вида схем, которые мы рассмотрим ниже.

Схема с общим коллектором

Сигнал проходит на сопротивление RL, которое также включено в цепь коллектора.

Такая схема подключения дает возможность создать всего лишь усилитель по току. Достоинством такого эмиттерного повторителя можно назвать образование значительного сопротивления на входе. Это дает возможность для согласования каскадов усиления.

Схема с общей базой

Сигнал входа проходит через С1, далее снимается в цепи выхода коллектора, где базовый электрод общий. В итоге образуется усиление напряжения по подобию с общим эмиттером.

В схеме можно найти недостаток в виде малого входного сопротивления. Схема с общей базой используется чаще всего в качестве генератора колебаний.

Схема с общим эмиттером

Чаще всего при использовании биполярных транзисторов выполняют схему с общим эмиттером. Напряжение проходит по сопротивлению нагрузки RL, к эмиттеру питание подключается отрицательным полюсом.

Сигнал переменного значения приходит на базу и эмиттер. В цепи коллектора он становится по значению больше. Главными элементами схемы являются резистор, транзистор и выходная цепь усилителя с источником питания. Дополнительными элементами стали: емкость С1, которая не дает пройти току на вход, сопротивление R1, благодаря которому открывается транзистор.

В цепи коллектора напряжение транзистора и сопротивления равны значению ЭДС: E= Ik Rk+Vke.

Отсюда следует, что малым сигналом Ec определяется правило изменения разности потенциалов в переменное выходное транзисторного преобразователя. Такая схема дает возможность увеличению тока входа во много раз, так же, как напряжению и мощности.

Из недостатков такой схемы можно назвать малое сопротивление на входе (до 1 кОм). Как следствие, возникают проблемы в образовании каскадов. Сопротивление выхода равно от 2 до 20 кОм.

Рассмотренные схемы показывают действие биполярного транзистора. На его работу влияет частота сигнала и перегрев. Для решения этого вопроса применяют дополнительные отдельные меры. Эмиттерное заземление образует на выходе искажения. Для создания надежности схемы, выполняют подключение фильтров, обратных связей и т.д. После таких мер, схема работает лучше, но уменьшается усиление.

Режимы работы

На быстродействие транзистора оказывает влияние величина подключаемого напряжения. Рассмотрим разные режимы работы на примере схемы, в которой биполярные транзисторы подключаются с общим эмиттером.

Отсечка

Этот режим образуется при снижении напряжения VБЭ до 0,7 вольта. В таком случае переход эмиттера закрывается, и ток на коллекторе отсутствует, так как в базе отсутствуют электроны, и транзистор остается закрытым.

Активный режим

При подаче напряжения, достаточного для открытия транзистора, на базу, возникает малый ток входа и большой выходной ток. Это зависит от размера коэффициента усиления. В этом случае транзистор работает усилителем.

Режим насыщения

Эта работа имеет свои отличия от активного режима. Полупроводник открывается до конца, коллекторный ток достигает наибольшего значения. Его повышения можно добиться только путем изменения нагрузки, либо ЭДС выходной схемы.

При корректировке тока базы ток коллектора не изменяется. Режим насыщения имеет особенности в том, что транзистор открыт полностью и работает переключателем.

Если объединить режимы насыщения и отсечки биполярных транзисторов, то можно создать ключи.

Свойства характеристик выхода влияют на режимы. Это изображено на графике.

Обратите внимание

При отложении на осях координат отрезков, соответствующих наибольшему току коллектора и размеру напряжения, и далее, объединения концов друг с другом, образуется красная линия нагрузки. По графику видно: точка тока и напряжения сместится по линии нагрузки вверх при повышении базового тока.

Участок между заштрихованной характеристикой выхода и осью Vke является работа отсечки. В этом случае транзистор закрыт, а обратная величина тока мала. Характеристика в точке А вверху пересекается с нагрузкой, после которой при последующем повышении IВ ток коллектора уже не меняется. На графике участком насыщения является закрашенная часть между осью Ik и наиболее крутым графиком.

Биполярные транзисторы в различных режимах

Транзистор взаимодействует с сигналами разных видов во входной цепи. В основном транзистор применяется в усилителях. Входной переменный сигнал изменяет ток на выходе. В этом случае используются схемы с общим эмиттером или коллектором. В цепи выхода для сигнала необходима нагрузка.

Чаще всего для этого применяют сопротивление, установленное в цепи выхода коллектора. При его правильном выборе, значение напряжения на выходе будет намного больше, чем на входе.

Во время преобразования сигнала импульсов режим сохраняется таким же, как для синусоидальных сигналов. Качество изменения гармоник определяется характеристиками частоты полупроводников.

Режим переключения

Транзисторные ключи служат для бесконтактных переключений в электрических цепях. Эта работа заключается в прерывистой регулировке величины сопротивления полупроводника. Биполярные транзисторы наиболее применимы в устройствах переключения.

Полупроводники применяются в схемах изменения сигналов. Их универсальная работа и широкая классификация дает возможность использовать транзисторы в различных цепях, которые определяют их возможности работы. Основными применяемыми схемами являются усиливающие, а также переключающие цепи.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/bipoliarnye-tranzistory/

1. Биполярный транзистор и схемы его включения

Биполярный транзистор содержит два p—n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис. 1.7. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P—n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p—n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p—n—p и n—p—n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.7 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Тип этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p—n—p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n—p—n – электроны.

Рисунок 1.7. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n—p—n и p—n—p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя (процесс рекомбинации), что схематически представлено на рис.1.8 для транзистора типа n—p—n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а основная часть рабочих носителей заряда проходит до коллектора.

Рисунок 1.8. Распределение токов в транзисторе n—p—n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.8. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к коллектору должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n—p—n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.8).

Основную часть коллекторного тока составляет поток рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока коллекторного перехода I (см. рис.1.8). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , показывающий, какая часть рабочих носителей заряда прошла к коллектору, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока коллекторного перехода мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 — 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, с которыми рекомбинируются электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые рекомбинируются в базовом слое. В транзисторе типа n—p—n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Поскольку величина базового тока мала, то и уровень мощности, потребляемой транзистором на управление, невелик, в результате чего достигается эффективное управление током базы, протекающего через транзистор тока.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

На рис.1.8 представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ). Наряду с такой схемой на рис.1.9 представлены еще две возможные схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Как видно из этого рисунка, схемы содержат две внешние цепи с соответствующими источниками ЭДС: входная (левые части схем) и выходная (правые части). Наименование схемы включения определяется по электроду, который является общим для двух этих цепей. Во всех трех схемах базовый электрод входит в состав входной цепи, поскольку по базе осуществляется управление работой транзистора. Нагрузка включается в выходную цепь.

Рисунок 1.9. Схемы включения биполярного транзистора типа n—p—n

а — с общей базой, б — с общим эмиттером, в — с общим коллектором

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис. 1.9, приведены для транзистора типа n—p—n. В случае транзистора типа p—n—p, в связи с изменением типа рабочего носителя заряда, полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Входные и выходные токи в трех схемах включения транзистора, а также напряжения между его электродами, определяемые источниками ЭДС, различны и перечислены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

интегральная схема | Типы, использование и функции

интегральная схема

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Роберт Нойс Джек Килби Моррис Чанг Роберт Х. Деннард

Похожие темы:

микропроцессор звуковая карта компьютерный чип видеокарта микросхема со смешанными сигналами

Просмотреть весь связанный контент →

Сводка

Прочтите краткий обзор этой темы

интегральная схема (ИС) , также называемая микроэлектронной схемой , микрочипом или микросхемой , сборка электронных компонентов, изготовленная как единое целое, в которой миниатюрные активные устройства (например, транзисторы и диоды) и пассивные устройства (например, конденсаторы и резисторы) и их соединения построены на тонкой подложке из полупроводникового материала (обычно кремния). Таким образом, результирующая схема представляет собой небольшой монолитный «чип», размер которого может составлять всего несколько квадратных сантиметров или всего несколько квадратных миллиметров. Отдельные компоненты схемы обычно имеют микроскопические размеры.

Интегральные схемы появились благодаря изобретению транзистора в 1947 году Уильямом Б. Шокли и его командой в Bell Laboratories Американской телефонной и телеграфной компании. Команда Шокли (включая Джона Бардина и Уолтера Х. Браттейна) обнаружила, что при определенных обстоятельствах электроны образуют барьер на поверхности некоторых кристаллов, и они научились контролировать поток электричества через кристалл, манипулируя этим барьером. Управление потоком электронов через кристалл позволило команде создать устройство, которое могло бы выполнять определенные электрические операции, такие как усиление сигнала, которые ранее выполнялись электронными лампами. Они назвали это устройство транзистором, от сочетания слов передача и резистор . Изучение методов создания электронных устройств с использованием твердых материалов стало называться твердотельной электроникой. Твердотельные устройства оказались намного прочнее, с ними проще работать, они надежнее, меньше и дешевле, чем электронные лампы. Используя те же принципы и материалы, инженеры вскоре научились создавать другие электрические компоненты, такие как резисторы и конденсаторы. Теперь, когда электрические устройства можно было сделать такими маленькими, самой большой частью схемы была неудобная проводка между устройствами.

Знать, как работает ICL 2966, мейнфрейм с интегральной схемой

Посмотреть все видео к этой статье

В 1958 году Джек Килби из Texas Instruments, Inc. и Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor Corporation независимо друг от друга придумали способ еще больше уменьшить размер схемы . Они прокладывали очень тонкие дорожки из металла (обычно из алюминия или меди) прямо на том же куске материала, что и их устройства. Эти маленькие дорожки действовали как провода. С помощью этого метода вся схема может быть «интегрирована» в единый кусок твердого материала и таким образом создана интегральная схема (ИС). ИС могут содержать сотни тысяч отдельных транзисторов на одном куске материала размером с горошину. Работать с таким количеством электронных ламп было бы нереально неудобно и дорого. Изобретение интегральной схемы сделало возможными технологии информационного века. В настоящее время интегральные схемы широко используются во всех сферах жизни, от автомобилей до тостеров и аттракционов в парках развлечений.

Базовые типы ИС

Аналоговые или линейные схемы обычно используют только несколько компонентов и, таким образом, являются одними из самых простых типов ИС. Как правило, аналоговые схемы подключаются к устройствам, которые собирают сигналы из окружающей среды или отправляют сигналы обратно в окружающую среду. Например, микрофон преобразует изменчивые звуки голоса в электрический сигнал переменного напряжения. Затем аналоговая схема модифицирует сигнал каким-либо полезным образом, например, усиливая его или фильтруя нежелательные шумы. Затем такой сигнал можно было бы подать обратно в громкоговоритель, который воспроизвел бы тоны, первоначально улавливаемые микрофоном. Другим типичным применением аналоговой схемы является управление некоторым устройством в ответ на постоянные изменения в окружающей среде. Например, датчик температуры посылает переменный сигнал на термостат, который можно запрограммировать на включение и выключение кондиционера, обогревателя или духовки, как только сигнал достигнет определенного значения.

Викторина «Британника»

Компьютеры и операционные системы

Как Интернет перемещает информацию между компьютерами? Какая операционная система сделана Microsoft? Войдите в этот тест и проверьте свои знания о компьютерах и операционных системах.

Цифровая схема, с другой стороны, рассчитана на прием только напряжений определенных заданных значений. Схема, которая использует только два состояния, известна как двоичная схема. Схема с двоичными величинами, «включено» и «выключено», представляющими 1 и 0 (т. е. истинное и ложное), использует логику булевой алгебры. (Арифметика также выполняется в двоичной системе счисления с использованием булевой алгебры.) Эти основные элементы объединяются в конструкции ИС для цифровых компьютеров и связанных с ними устройств для выполнения желаемых функций.

Биполярный транзистор — Citizendium

	Основной артикул	Обсуждение	Статьи по теме   [?]	Библиография   [?]	Внешние ссылки   [?]	Версия для цитирования   [?]
	Эта редактируемая основная статья равна в разработке и подлежит отказу от ответственности . [изменить введение]

Содержание

• 1 История
• 2 Операция
  • 2.1 Коэффициент усиления по току β
  • 2.2 Выходное сопротивление r _O
  • 2.3 Частотная зависимость
• 3 Каталожные номера

(PD) Изображение: John R. Brews
Планар npn биполярный переходной транзистор, который может быть встроен в интегральную схему.

В электронике биполярный транзистор , точнее биполярный переходной транзистор , представляет собой полупроводниковое устройство с тремя выводами, используемое для переключения и усиления. Концептуально он состоит из двух pn -диодов, расположенных спиной к спине, образующих сэндвич pnp или npn , где p относится к полупроводнику, легированному для создания положительно заряженных носителей (дырок) и n относится к полупроводнику, легированному для обеспечения отрицательно заряженных носителей (электронов). Более того, центральная область достаточно тонкая, чтобы позволить носителям, инжектированным из одного из крайних слоев ( эмиттер E ), фактически диффундировать через центральную область ( база B ) и собираться другим концом. регион (коллектор С ).

Очень небольшие изменения напряжения на переходе эмиттер-база имеют экспоненциальное влияние на количество носителей, инжектируемых из эмиттера, поэтому база имеет огромный контроль над током, диффундирующим через базу к коллектору. Кроме того, ток, потребляемый базой при нормальной работе, очень мал, поэтому устройство хорошо служит для усиления либо сигнала тока, либо сигнала напряжения, подаваемого на базу.

История

Биполярный транзистор был исторически первым изобретенным транзистором. До изобретения полупроводниковых устройств в 1947 году Бардином, Браттейном и Шокли из Bell Laboratories полупроводниковые устройства представляли собой только двухконтактные устройства, такие как диоды и выпрямители. Дополнительную информацию об истории и развитии этого устройства можно найти в исторической статье Шокли ^[1] и в более поздней истории. ^[2]

Эксплуатация

(PD) Изображение: John R. Brews
Ленточная диаграмма биполярного транзистора npn со смещением в активном режиме.

Биполярный транзистор может работать в нескольких режимах, отличающихся тем, какие переходы инжектирующие (прямое смещение эмиттер-база или коллектор-база или оба) и собирающие (обратное смещение эмиттер-база или коллектор-база, или оба ). Здесь основное внимание уделяется активной моде , в которой переход эмиттер-база инжектирует, а переход коллектор-база собирает. Этот режим обычно используется в аналоговых схемах.

Используя диапазонную диаграмму, показанную справа, можно понять операцию. На схеме показан npn-транзистор со смещением в активном режиме. Это одномерное сечение по вертикали через центр излучателя. 9Зона проводимости 0101 , обозначенная как CB , показывает наименьшую энергию электрона (в электрон-вольтах или энергию, деленную на заряд электрона) в зоне проводимости полупроводника в зависимости от положения в npn-транзисторе. Валентная зона , обозначенная как VB , показывает самую высокую энергию электронов в валентной зоне полупроводника. Эти два энергетических уровня разделены энергетической щелью полупроводника , областью запрещенной энергии для электрона. CB и VB различаются по положению внутри транзистора по двум причинам: различия в уровнях легирования от слоев типа n- до p- и n-, а также изменения электрического потенциала в структуре.

Если смещение не применяется, края полос меняются, потому что атомы примеси определяют количество носителей, и полосы должны корректировать положение, чтобы обеспечить правильную плотность носителей. Уровни Ферми основных носителей в различных областях показаны как определяемые уровнями легирующей примеси: E _Fn для электронов в свободном от поля объеме эмиттера, E _Fp для дырок в свободной от поля части базы и E _Fn для электронов в поле -свободный объем коллектора. Если смещения сведены к нулю, все эти уровни Ферми совпадают. Подробнее см. в статьях о полупроводниках и полупроводниковых диодах.

Когда применяется смещение, относительные энергии различных областей изменяются, нарушая равновесие и заставляя края полос приспосабливаться в ответ. Уровни Ферми разделяются приложением напряжения смещения к переходам. Прямое смещение V _BE разделяет дырочный уровень Ферми в базе и электронный уровень Ферми в эмиттере. Аналогично, обратное смещение V _CB отделяет электронный уровень Ферми в объемном коллекторе от дырочного уровня Ферми в бесполевой области базы.

Переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, то есть база сделана положительной по отношению к эмиттеру, притягивая электроны. Это прямое смещение V _BE уменьшает барьер φ _n препятствует проникновению электронов в базу. Поскольку барьер меньше, электроны входят в базу, повышая концентрацию электронов в базе выше нормального равновесного уровня и создавая градиент концентрации электронной плотности поперек базы. Этот градиент управляет диффузионным потоком электронов через базу (транспорт в соответствии с законом диффузии Фика) к коллектору. При этом коллектор смещен в обратном направлении напряжением V _CB по отношению к базе, т. е. сделан положительным по отношению к базе, поэтому притягивает электроны. Это притяжение уменьшает плотность электронов на стороне коллектора базы, увеличивая градиент электронной плотности в свободной от поля части базы. Электроны, диффундирующие через базу, в конце концов достигают конца области без поля и попадают в ускоряющее электрическое поле, создаваемое обратным смещением на коллекторе. Затем транспорт электронов переключается с диффузии за счет градиента носителей на дрейф под действием электрического поля.

Сильное влияние смещения база-эмиттер на ток коллектора можно понять с точки зрения его большого влияния на плотность электронов на границе раздела база-эмиттер. Число электронов на вершине барьера в exp(− φ _n / V _th ) меньше, чем плотность в самом эмиттере. Здесь В _th — это так называемое тепловое напряжение , определяемое по формуле:

Vth = kBTq , {\ displaystyle V_ {th} = {\ frac {k_ {B} T} {q}} \,}

, где k _B — постоянная Больцмана, а T — температура в кельвинах. При 290 К В _й ≈ 25 мВ. Таким образом, изменение высоты этого барьера за счет приложенного смещения на V _BE меньше означает, что плотность электронов на вершине барьера становится больше в exp( V _BE / V _th ), большой экспоненциальный рост.

Используя тот же аргумент, обратная инжекция дырок из базы в эмиттер также увеличивается с тем же экспоненциальным коэффициентом. Эти дырки рекомбинируют с электронами в эмиттере и образуют паразитное потребление тока, которое должно обеспечиваться базовым током.

Биполярный транзистор с гетеропереходом пытается уменьшить обратную инжекцию дырок в эмиттер за счет включения широкозонного эмиттера, который увеличивает барьер φ _p без увеличения φ _n путем изменения выравнивания валентности зоны эмиттера и базы без существенного изменения выравнивания зоны проводимости. Точно так же базовые материалы с узкой запрещенной зоной могут уменьшить электронный барьер без снижения дырочного барьера за счет перестройки зон проводимости эмиттера и базы без существенного изменения выравнивания валентной зоны. ^[3]

Коэффициент усиления по току β

(PD) Изображение: John R. Brews
График Гуммеля и коэффициент усиления по току для биполярного транзистора с гетероструктурой GaAs/AlGaAs. ^[4]

В приложениях ключевым параметром является усиление биполярного тока, отношение постоянного тока коллектора к постоянному току эмиттера, обычно называемое усилением тока с общим эмиттером и обозначаемое β . Ввиду сходства между прямой инжекцией электронов из эмиттера в базу и обратной инжекцией дырок в эмиттер можно было бы простительно ожидать небольшой разницы. Тем не менее, структура может быть спроектирована таким образом, чтобы значительно способствовать инжекции прямого тока по сравнению с инжекцией дырок обратно. На сравнение влияют несколько факторов. Во-первых, сильное легирование эмиттера и слабое легирование базы увеличит плотность электронов на барьере φ _n по сравнению с плотностью отверстий при φ _p . Кроме того, увеличение градиента плотности носителей в базе увеличит ток диффузии электронов, что позволяет предположить, что узкая база способствует прямой инжекции. (Узкое основание увеличивает градиент, приближая высокую плотность электронов вблизи эмиттера к низкой плотности рядом с коллектором.) Точно так же более низкий градиент плотности дырок в эмиттере будет подавлять обратную инжекцию. В отличие от базы, где коллектор с обратным смещением обеспечивает низкую плотность носителей на дальней стороне базы, в эмиттере эту функцию выполняет рекомбинация дырок на границе металлического или поликремниевого контакта с эмиттером. Выяснилось, что контакт из поликремния выгоден тем, что ток дырок в поликремнии уменьшен по сравнению с кремнием не из-за влияния на градиент концентрации дырок, а из-за того, что в поликремнии протекает гораздо меньший ток, чем в кристаллическом кремнии при том же градиенте.

На рисунке показана диаграмма Гуммеля для одного биполярного транзистора. ^[5] Это логарифмический график токов коллектора и базы в зависимости от напряжения база-эмиттер , в идеале две прямые линии, разделенные коэффициентом усиления по току β . Этот график полезен для демонстрации диапазона смещения, в котором токи следуют этой экспоненциальной зависимости от напряжения база-эмиттер, центра этого графика и начала неидеального поведения при высоких и низких уровнях тока. Это также позволяет оценить зависимость текущего уровня усиления от текущего уровня.

Выходное сопротивление

R _O

(PD) Изображение: John R. Brews
Эскиз биполярного тока коллекционера I _C VS. Collector-Emiter Voltage V. _{V. VOLTER VOLTER VOLTER VOLTER VOLTER VS.} VELTER VS. . тока базы I _B , показывающая экстраполяцию асимптот к раннему напряжению.

В аналоговых устройствах, таких как токовые зеркала или активные нагрузки, важно, чтобы транзистор имел большое выходное сопротивление. Такие схемы имитируют источник тока или сток тока, и сопротивление Нортона такой схемы должно быть большим для идеального поведения.

Выходное сопротивление, обычно обозначаемое как r _O , является мерой того, какое изменение напряжения коллектор-база необходимо, чтобы вызвать заданное изменение выходного тока транзистора, когда транзистор находится в активном режиме. Причина, по которой изменение V _CB изменяет ток, заключается в том, что ширина области нейтральной базы, где ток определяется градиентом плотности носителей, сужается, когда переход CB становится более смещенным в обратном направлении. Поэтому градиент плотности носителей , представляющий собой разницу между высокой плотностью вблизи эмиттера и низкой плотностью вблизи коллектора, деленную на ширину нейтральной базы, увеличивается с увеличением обратного смещения CB-перехода. Это явление называется либо широтно-базовая модуляция или Ранний эффект . ^[6] Согласно простой эмпирической модели (см. рисунок) выходное сопротивление определяется выражением:

rO=∂VCE∂IC|IB=константа=VA+VCEIC(IB, VCE) , {\displaystyle r_{O}=\left.{\frac {\partial V_{CE}}{\partial I_{ C}}} \ right | _ {I_ {B} = {\ text {константа}}} = {\ frac {V_ {A} + V_ {CE}} {I_ {C} (I_ {B}, \ V_ {CE})}}\ ,}

, где В _A называется Раннее напряжение и является параметром, входящим в большинство моделей транзисторов. текущий I _C (I _B , V _CE ) – ток коллектора, рассчитанный при выбранном токе базы и выбранном напряжении V _CE . Напряжение В _CE используется вместо В _CB , потому что выходное сопротивление подключено между коллектором и эмиттером в модели гибридного пи (обсуждается в разделе о частотной зависимости ниже), что удобно но физически немотивирован. Поскольку V _BE относительно невелико и не сильно меняется, разница между напряжением CB и напряжением CE в этом определении является второстепенной.

На рисунке показан наклон выходного тока как 1/ r _O и показано, как он увеличивается (как r _O уменьшается, как следует из формулы) по мере увеличения тока коллектора.

Упрощенная модель соотношения ток-напряжение постоянного тока для биполярного устройства в активном режиме, включая эффект Раннего, выглядит следующим образом: 9{\left(v_{BE}/V_{th}\right)}-1\right)\left(1+{\frac {v_{CE}}{V_{A}}}\right)\,}

, где β ₀ — это значение β , экстраполированное до V _CE = 0, V _TH — термический валь. который варьируется от устройства к устройству и называется током насыщения . Выражение базового тока представляет собой простой диодный закон для EB-перехода.

Частотная зависимость

(PD) Изображение: Джон Р. Брюз
Биполярная гибридная пи-модель с паразитными емкостями для моделирования частотной зависимости.

(PD) Изображение: John R. Brews
Зависимость частоты перехода от уровня тока коллектора в Si-Ge HBT. ^[8]

Другим важным качеством устройства является его скорость отклика на переходные сигналы. Биполярный транзистор является очень нелинейным устройством, поэтому его переходная характеристика для больших сигналов требует численного расчета. Тем не менее, некоторое представление можно получить, используя модель слабого сигнала и рассматривая устройство для небольших вариаций состояния покоя (его Q-точка ). Такая схема показана на рисунке для устройства, смещенного в активном режиме, модели гибридного пи . Эта схема уменьшает проблему частотной характеристики для постоянных времени RC , связанных с зарядом и разрядом различных емкостей через соответствующие им резисторы.

Чтобы свести частотную характеристику к одному числу (по общему признанию, ограниченная сводка достоинств) так называемая частота перехода , обозначаемая f _T или f _t , используется. Эта частота определяется путем изучения коэффициента усиления тока короткого замыкания транзистора, который можно оценить с помощью гибридной пи-модели в конфигурации с общим эмиттером. При подаче на базу тока слабого сигнала и замыкании коллектора на эмиттер, который заземлен, ток, втекающий в транзистор через коллектор, равен:

ic = (gm-jωCμ) vπ , {\ displaystyle i_ {c} = \ left (g_ {m} -j \ omega C _ {\ mu} \ right) v _ {\ pi} \,}

, а ток сигнала связан с входным напряжением v _π соотношением:

= (jω (Cπ + Cμ) + 1 / rπ) vπ . {\ displaystyle i_ {s} = \ left (j \ omega (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) + 1 / r_ {\pi }\right)v_{\pi }\ .}

Коэффициент усиления по току соответственно:

icis=gm−jωCμjω(Cπ+Cμ)+1/rπ=gmrπ−jωCμrπ1+jω(Cπ+Cμ)rπ .{\displaystyle {\frac {i_{c}}{i_{s}}}= {\ frac {g_ {m} -j \ omega C _ {\ mu}} {j \ omega (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) + 1 / r _ {\ pi}}} = {\ frac { g_{m}r_{\pi}-j\omega C_{\mu}r_{\pi}}{1+j\omega (C_{\pi}+C_{\mu})r_{\pi}}} \ . }

Если мы вызовем отношение:

gmrπ = ICVth VthIB = ICIB = β , {\ displaystyle g_ {m} r _ {\ pi} = {\ frac {I_ {C}} {V_ {th}}} \ {\ frac {V_ {th} }{I_{B}}}={\frac {I_{C}}{I_{B}}}=\beta \ ,}

с V _th тепловое напряжение и I _C , I _B токи постоянного тока коллектора и базы, тогда:

icis = β−jωCμrπ1 + jω(Cπ + Cμ) rπ , {\ displaystyle {\ frac {i_ {c}} {i_ {s}}} = {\ frac {\ beta -j \ omega C_ {\mu}r_{\pi}}{1+j\omega (C_{\pi}+C_{\mu})r_{\pi}}}\,}

что, естественно, обеспечивает коэффициент усиления транзистора по току нулевой частоты как β . Однако по мере увеличения частоты коэффициент усиления по току падает после прохождения угловой частоты , f > f _C :

fC = 12π (Cπ + Cμ) rπ . {\ displaystyle f_ {C} = {\ frac {1} {2 \ pi (C _ {\ pi} + C _ {\ mu}) r _ {\ pi}} }\ .}

Частота перехода , обозначенная как f _T , определяется как частота, на которой усиление тока спадает до значения, равного единице:

|icis|=1=|β1+jfT/fC| , {\ displaystyle \ left | {\ frac {i_ {c}} {i_ {s}}} \ right | = 1 = \ left | {\ frac {\ beta} {1 + jf_ {T}/f_ {C }}}\right|\ ,}

или

fT ≈ βfC = gm2π (Cπ + Cμ) . {\ displaystyle f_ {T} \ приблизительно \ beta f_ {C} = {\ frac {g_ {m}} {2 \ pi (C _ {\ pi} + C_{\mu })}}\ .}

В активном режиме емкость C _мк представляет собой емкость обеднения CB-перехода, который представляет собой слаболегированный переход с большой шириной обедненного слоя. Таким образом, эта емкость мала, скажем, 2 пФ. С другой стороны, C _π включает сильно легированную емкость EB-перехода и очень большую диффузионную емкость из-за инжектированных электронов и обычно составляет несколько сотен пФ. Это является оправданием довольно бесцеремонного игнорирования частотной зависимости в числителе jωC _μ r _π . Зависимость от частоты в знаменателе, зависящая от C _π r _π , будет доминировать над любым эффектом числителя, введенным C _μ r _π .

Как крутизна g _m , так и диффузионная емкость в C _π зависят от плотности тока коллектора, поэтому ожидается, что частота перехода будет меняться в зависимости от тока, и зависимость от тока наблюдается, как показано на рисунке. Первоначально f _T увеличивается из-за преобладания g _m , но в конечном итоге ожидается насыщение, поскольку знаменатель и числитель становятся пропорциональными плотности тока. Однако на самом деле при высокой плотности тока частота перехода начинает уменьшаться, что является одним из многих неидеальных высокие эффекты впрыска .

Ссылки

1. ↑ В. С. Шокли (1976). «Путь к концепции переходного транзистора». IEEE Trans Electron Dev. ED-23 : стр. 597 и далее .
2. ↑ М. Риордан и Л. Ходдесон (1997). Хрустальный огонь: рождение века информации . WW Norton & Company. ISBN 0393041247.
3. ↑ CK Maiti, GA Armstrong (2001). «Принцип SiGe HBT», Применение кремниево-германиевых гетероструктур . CRC Press, стр. 77 и далее . ISBN 0750307234.
4. ↑ AG Baca и др., (2000). «Постоянный ток и микроволновые характеристики 100-вольтовых GaAs/AlGaAs HBT», Составные полупроводниковые силовые транзисторы II: материалы тридцать второго международного симпозиума . электрохимическое общество; Отдел электроники, с. 131. ISBN 1566772664.
5. ↑ Назван в честь Германа К. Гаммеля из Bell Laboratories, пионера численного моделирования биполярного транзистора и автора модели Гуммеля-Пуна, широко используемой для биполярного транзистора.
6. ↑ Ранний эффект назван в честь Джеймса М. Эрли, одного из ученых Bell Laboratories, участвовавших в разработке биполярного транзистора.
7. ↑ Ричард С. Джагер (1997). «§5.12: Ранний эффект и раннее напряжение», Проектирование микроэлектронной схемы . McGraw-Hill, 196 ff . ISBN 0-07-114386-6.  Эти уравнения не включают такие вещи, как текущая зависимость β , и предназначены только для качественного анализа.
8. ↑ На основе рисунка 5.5 в Джон Д. Кресслер, Гофу Ню (2003). Кремний-германиевые биполярные транзисторы с гетеропереходом . Артех Хаус, с. 148. ISBN 1580533612.

Органические биполярные транзисторы | Nature

Abstract

Устройства, изготовленные с использованием тонкопленочных полупроводников, в последнее время вызывают большой интерес благодаря новым возможностям их применения. Среди систем материалов, пригодных для тонкопленочной электроники, особый интерес представляют органические полупроводники; их недорогие, биосовместимые материалы на основе углерода и осаждение с помощью простых методов, таких как испарение или печать, позволяют использовать органические полупроводниковые устройства для повсеместной электроники, такой как те, которые используются на человеческом теле или в нем, или на одежде и упаковках ^1,2,3 . Потенциал органической электроники можно использовать только в том случае, если производительность органических транзисторов заметно улучшится. Здесь мы представляем органические биполярные транзисторы с выдающимися характеристиками устройств: ранее не описанная вертикальная архитектура и высококристаллические тонкие пленки органического рубрена дают устройства с высоким дифференциальным усилением (более 100) и превосходными характеристиками на высоких частотах по сравнению с обычными устройствами. Эти биполярные транзисторы также дают представление о длине диффузии неосновных носителей заряда — ключевом параметре органических полупроводников. Наши результаты открывают двери для новых концепций устройств высокопроизводительной органической электроники с еще более высокими скоростями переключения.

Основной

Органические полевые транзисторы (FET) были впервые представлены в 1986 году и за последние два десятилетия продемонстрировали впечатляющие улучшения ^{4,5,6,7,8,9,10,11} . Тем не менее, они по-прежнему ограничены диапазоном от низких до средних мегагерц, что не позволяет широко применять ^12,13,14 . Значительно более низкая подвижность носителей заряда в органических полупроводниках (OSC) по сравнению с их неорганическими аналогами является ограничением производительности органических транзисторов. Уменьшение длины транзисторных каналов является эффективной стратегией повышения скорости работы устройства, как показано на FET 9.0071 13,14 и другие концепции устройств, такие как органические транзисторы с проницаемой базой ^11,15 . Однако другие факторы, такие как контактное сопротивление и емкость перекрытия, часто ограничивают дальнейшее улучшение рабочих частот ^16,17 .

Устройство с низкой емкостью и контактным сопротивлением представляет собой транзистор с биполярным переходом. Несмотря на недостатки, связанные с миниатюризацией и технологической интеграцией, биполярные транзисторы обладают значительно более высокими рабочими скоростями, чем сопоставимые полевые устройства ¹⁸ . Однако транзисторы с органическим биполярным переходом (OBJT) еще не реализованы, главным образом потому, что они основаны на диффузии неосновных носителей через тонкий и точно легированный базовый слой. Большинство исследований посвящено экситонной диффузии, которая преобладает из-за слабого диэлектрического экранирования в органических соединениях ^19,20 . Длина диффузии большинства носителей в фуллеренах оценивается в сантиметровом масштабе, что поднимает интересные вопросы о физике диффузии носителей в OSC ^21,22 . Диффузионные длины неосновных носителей заряда до сих пор оставались неисследованными в материалах OSC. По сравнению с диффузией экситонов можно ожидать, что они будут находиться в нанометровом диапазоне, по крайней мере, для типичных неупорядоченных органических пленок ^23,24,25 .

Здесь мы реализуем OBJT на основе кристаллических пленок легированного рубрена n- и p-типа. В отличие от обычных монокристаллов, выращенных в печи, эти пленки изготавливаются непосредственно на поверхности подложки и, таким образом, совместимы с массовым производством. Ранее мы продемонстрировали превосходный потенциал таких высокоупорядоченных пленок, продемонстрировав рекордно высокую вертикальную подвижность носителей заряда, которая позволила сверхбыстродействующим диодным устройствам работать в гигагерцовом диапазоне9.0071 26 . Здесь мы демонстрируем, что OBJT на основе тонких пленок кристаллического рубрена открывают многообещающий путь к гигагерцовой органической электронике. Численное моделирование проясняет принципы работы транзисторов и указывает пути дальнейшей оптимизации. Тщательный анализ работы устройства позволяет напрямую измерить длину диффузии неосновных носителей в любом OSC.

Ключевой задачей при создании органического биполярного транзистора является поиск подходящего материала и конфигурации устройства, которые (1) допускают легирование как n-, так и p-типа; (2) иметь достаточно высокие (более 1 см ²  V ⁻¹  s ⁻¹ ) подвижность, обеспечивающая сбалансированный перенос дырок и электронов, что дает надежду на то, что до сих пор неизвестные длины диффузии неосновных носителей достаточно велики, чтобы позволить носителям проходить через базовые слои; и (3) позволяют достаточно тонкой базе поддерживать определенный потенциал, чтобы обеспечить управление током эмиттер-коллектор. Мы использовали высококристаллические тонкопленочные кристаллы рубрена с легированием n- и p-типа для создания этого OBJT и проанализировали его работу экспериментально и теоретически (подробности разработки и характеристики материалов см. в разделе «Методы»).

Разработка OBJT

Используя эти высококристаллические легированные пленки, мы создали OBJT. Геометрия устройства показана на рис. 1a–c с вертикальной укладкой прямоугольного эмиттерного электрода внизу, пальцеобразного базового электрода в середине и прямоугольного коллекторного (верхнего) электрода. Расстояние между соседними пальцами основного электрода и ширина каждого основного пальца имеют решающее значение, как обсуждается ниже. Окончательное устройство имеет p-n-p-тип с легированной n-основой, так как мы ожидаем, что диффузионная длина неосновных элементов p-типа будет выше из-за более высокой подвижности. Как обычно для органических диодных устройств ²⁶ между пленками, легированными p- и n-типом, добавляют собственные пленки, чтобы улучшить характеристики обратной утечки, в результате чего получается структура типа pinip. Эмиттерный и коллекторный электроды сделаны из золота для облегчения эффективной инжекции дырок, тогда как базовый электрод состоит из алюминия для лучшей инжекции электронов. Тонкая пленка n-легированного C ₆₀ добавлена ​​на сторону эмиттера базового электрода для дальнейшего облегчения инжекции электронов. Дополнительные слои собственного и слаболегированного материала могут быть добавлены поверх базового электрода, чтобы минимизировать утечку база-коллектор.

Рис. 1: Работа OBJT.

a , Конфигурация вертикального стека OBJT. b , Определение активных и паразитных токов и латеральных геометрических параметров в OBJT. c , Устройство OBJT под поляризованным микроскопом. Масштабная линейка, 100  мкм. d , Передаточные характеристики устройства OBJT с блокирующими слоями, нанесенными поверх основного электрода, для различных В _CE : сплошные линии показывают абсолютный ток коллектора I _C , пунктирные линии показывают добавочный ток e , Соответствующее дифференциальное усиление для устройства d . f , Определение схемы смещения и измерения для всех кривых OBJT и представление эквивалентной схемы OBJT, содержащей активные и паразитные компоненты, аналогичные токам, определенным в b : D _B1 , прямой диод база-коллектор с током утечки I _BC ; D _B2 , прямой диод база-эмиттер с током утечки I _BE ; R _CE , прямое перекрытие эмиттер-коллектор с I _C0 выходной ток отключения. г , Передаточные характеристики устройства OBJT без блокирующих слоев, нанесенных поверх основного электрода при различных В _CE : сплошные толстые линии, абсолютный ток коллектора I _C ; пунктирные линии, добавлен ток ∆ I _C =  I _C −  I _C0 ; сплошные тонкие линии, абсолютное усиление постоянного тока. h , Абсолютная и нормированная по площади емкость отдельного контактного (входного) диода на основе рубрена при различных условиях смещения и различных частотах измерения. Активная область составляет 100 × 100 мкм ² . я , Оценка частоты перехода по крутизне.

Увеличить

Использование триклинной кристаллической фазы рубрена для транзисторов с биполярным переходом может показаться само собой разумеющимся из-за более высокой вертикальной подвижности носителей заряда, что способствует более эффективной вертикальной диффузии через базовый слой. Однако, помимо вертикального транспорта, n-легированный рубреновый слой основы должен представлять собой область, эквипотенциальную с металлическим базовым электродом, что требует высокой латеральной проводимости. Расстояние между соседними металлическими базовыми электродами является определяющим геометрическим параметром для этой концепции устройства и находится в диапазоне микрометров. Поэтому орторомбические кристаллы успешно используются здесь для OBJT из-за их изотропных свойств переноса заряда — работа транзистора с использованием триклинных кристаллов не наблюдалась.

Сначала рассмотрим устройство на основе кристаллов орторомбических сферолитов с большим количеством блокирующих слоев, нанесенных поверх основного электрода (рис. 1d,e). Диод база-эмиттер, диод база-коллектор и структура выводов эмиттер-коллектор сначала исследуются отдельно, чтобы проверить функциональность на уровне компонентов (расширенные данные, рис. 1a). Входные и выходные компоненты работают по отдельности как диоды с различимым прямым и обратным поведением. Диод база-коллектор имеет значительно меньший прямой ток, чем входной диод база-эмиттер, из-за дополнительных блокирующих слоев поверх базового электрода. Однако обратный ток и прямая утечка с обеих сторон базы практически одинаковы. Это признак того, что ток утечки определяется боковыми путями утечки, а не током, проходящим через pin-диоды. Как и ожидалось, постоянный ток от эмиттера к коллектору полностью симметричен (см. измерения импеданса на рис. 2 с расширенными данными). Однако этот ток существенно выше, чем ток через сами диоды. Высокий ток эмиттер-коллектор можно частично объяснить простой конструкцией электрода, которая создает большую область паразитного перекрытия между эмиттером и коллектором. Уменьшить ток эмиттер-коллектор можно структурированием электрода. Обсуждение оптимальной геометрической конфигурации на основе моделирования приведено в следующем разделе. Наше основное внимание здесь сосредоточено на базовом регионе, чтобы обеспечить работу OBJT.

На рис. 1г показана передаточная кривая полного OBJT (межэлектродный зазор в базовом электроде 12 мкм), то есть эмиттерный (выходной) ток над базовым (входным) током при различных напряжениях эмиттер-коллектор. Видно, что абсолютная величина эмиттерного тока велика и практически не меняется на протяжении всего измерения. Лишь при больших токах базы заметно небольшое увеличение. Это вызвано током утечки эмиттер-коллектор, о котором говорилось выше. Этот ток утечки можно рассматривать как постоянный шунт R _CE параллельно выходу прибора (эквивалентная схема представлена ​​на рис. 1f). Таким образом, реальный выход транзистора отражает изменение тока коллектора (также показанное на рис. 1г), контролируемое током базы. Видно устойчивое увеличение выходного тока по сравнению с входным током, с резким увеличением при низком и высоком базовом токе и существенно более пологим наклоном в режиме среднего тока. Общее поведение одинаково для всех приложенных напряжений эмиттер-коллектор, хотя и смещено на абсолютный ток. Сосредоточение внимания на самых больших В _CE при −8 В добавленный ток коллектора превосходит входной ток базы только до тех пор, пока ток базы не станет равным 15 мкА.

На рис. 1e показано дифференциальное усиление сигнала ∂ I _C /∂ I _B . Он достигает 100 при низком токе базы, что явно свидетельствует о работе транзистора, а затем неуклонно уменьшается с увеличением тока базы. Потеря дифференциального усиления происходит при I _B  = 2 мкА. Это уменьшение дифференциального усиления можно понять из геометрии устройства: иллюстрация путей тока дана на рис. 1б. В дополнение к уже упомянутому текущему пути через R _CE , ведущий к большому I _C0 , верхний и нижний диоды транзистора можно разделить на две части. Во-первых, большая часть каждого диода определяется площадью прямого перекрытия базы и электрода коллектора или эмиттера. Эта область вносит вклад только в ток утечки и не влияет на работу транзистора. Ток утечки через диод база-коллектор D _B1 обозначается как I _BC и ток утечки через диод база-эмиттер D _B2 as I _BE . Во-вторых, меньшая часть определяется областью вокруг пальцев базового электрода, в которой присутствует базовый потенциал. Это расстояние определяется базовым вылетом L _R . Соответствующая область отмечена на рис. 1б. Только вторая часть (ток I _B,S ) может вносить вклад в модуляцию коллекторного тока в виде I _C,S . Эквивалентная схема этой конфигурации показана на рис. 1f. Усиление транзисторного компонента начинает насыщаться при более высоких токах базы из-за экспоненциального увеличения входного тока через паразитные части входного диода, так что дифференциальное усиление не может поддерживаться при более высоких токах базы. Таким образом, измеренное дифференциальное усиление является не внутренним свойством транзистора, а свойством устройства, функционирующего как схема.

Блокирующие слои, нанесенные поверх базового электрода, предназначенные для подавления тока утечки из паразитного диода D _B1 , однако, могут также блокировать часть канала рядом с выводами базового электрода, что может способствовать работе транзистора за счет геометрии теплового испарения через теневые маски. Необходимо найти баланс между конфигурацией блокирующих пленок и геометрией электрода. Также исследовано устройство на основе орторомбических пластинчатых кристаллов без использования блокирующих слоев поверх основного электрода, вольт-амперный ( IV ) характеристики устройства приведены на рис. 1г. Транзисторная работа устройства при малых токах снижается, поскольку измененное смещение базы и возникающее в результате этого изменение паразитного тока диода D _B1 сверхкомпенсируют любое диффузионное усиление. Однако при больших токах базы ток выходного коллектора существенно увеличивается, и транзистор явно демонстрирует усиление большого сигнала, хотя и только умеренные значения. Отметим, что нестабильное поведение при большом токе базы, вероятно, вызвано высокой плотностью тока в устройстве, близкой к возникновению эффекта саморазогрева. Поэтому в наших устройствах OBJT на основе легированных кристаллов рубрена можно наблюдать как дифференциальное, так и абсолютное усиление тока.

TCAD-моделирование OBJT

Технология автоматизированного проектирования (TCAD) выполняется для лучшего понимания переноса заряда в OBJT-устройстве и правил проектирования для оптимизации геометрии устройства. Моделирование основано на стеке устройств, которые показали усиление большого сигнала, как показано на рис. 1g. Изготовленные устройства и экспериментальные данные взяты в качестве эталона для калибровки симулятора TCAD. Характеристики отдельных компонентов IV (диод база-эмиттер и структура эмиттер-коллектор) показывают хорошее соответствие результатов калиброванного моделирования и измеренных данных, как показано на рис. 2а, что подтверждает работоспособность устройства. На основе откалиброванного TCAD, электростатического потенциала, электрического поля, плотности носителей и тока можно моделировать и извлекать распределения для различных условий смещения и геометрии. В качестве примера на рис. 2б показано распределение плотности тока в OBJT. Распределение бокового электрического поля между двумя соседними пальцами основания показано на рис. 2в.

Рис. 2: Моделирование TCAD работы устройства OBJT.

a , Согласование моделирования и измерения на основе экспериментальных данных с рис. 1g. Моделирование настроено на воспроизведение IV характеристик эмиттер-коллектор и эмиттер-база (вставка) по отдельности. b , Геометрия и распределение плотности тока для примерной конфигурации OBJT, полученные с помощью моделирования TCAD. c , Напряженность внутреннего электрического поля в поперечном направлении для различных расстояний между соседними базовыми электродами на V _BE  =  V _CE  = −3 V. На вставке для наглядности показан крупный план панели. d , Моделирование максимального дифференциального усиления с разной шириной основного электрода L _B . e , Имитация максимального дифференциального усиления с гипотетическим боковым смещением между концом основного электрода и началом эмиттерного электрода L _BE . f , Моделирование максимального дифференциального усиления с различными расстояниями между соседними базовыми электродами L _BB (все остальные параметры оставались постоянными в каждом наборе симуляций). На вставках показана геометрия L _B , L _BE и L _BB в устройстве OBJT. Используемые параметры приведены в дополнительной таблице 1.

Полноразмерное изображение

Моделирование дает представление о ключевом параметре транзистора: конструкции штифта базового электрода. Длина, необходимая для падения поля от максимального значения почти до нуля, может быть интерпретирована как достижение базы л _р . При расстоянии между электродами более 25 мкм боковое поле близко к нулю для важной части устройства, вызывая большой начальный ток отключения, который не контролируется базовым током. На основе моделирования расстояние от основания до основания от 5 до 10 мкм кажется оптимальным.

На рис. 2d показано влияние размера и расположения основных электродов на усиление. Когда ширина базового электрода уменьшается с 25 мкм до теоретически 0 мкм (это эквивалентно отсутствию прямого перекрытия между базой, эмиттером и коллектором), максимальное усиление существенно возрастает, так как часть базового тока, которая не вклад в усиление уменьшается, тогда как управляемый ток коллектора остается прежним. Однако базовое перекрытие 0 мкм невозможно по технологическим причинам. Напротив, может быть достигнуто отрицательное перекрытие в смысле прокладки/зазора между концом базы и началом эмиттера. На рис. 2д показано результирующее усиление для такой конфигурации. Усиление уменьшается, как и ожидалось, поскольку важная краевая область возле базового электрода теперь значительно меньше участвует в переносе. Однако при длине зазора 1 мкм уменьшение сравнительно небольшое. Такая точность выравнивания может быть достигнута с помощью передовых методов трафаретной литографии.

Наконец, расстояние между соседними базовыми электродами изменяется, как показано на рис. 2f. Удивительно, но усиление немного увеличивается при увеличении расстояния между соседними базовыми электродами, хотя насыщение наблюдается выше 50 мкм. Это связано с тем, что, хотя боковое поле близко к нулю вдали от основания (рис. 2в), небольшой вклад в выходной ток все же вносится. Однако ток покоя также увеличивается при увеличении расстояния между базами, поскольку одновременно увеличивается перекрытие эмиттер-коллектор (рис. 2е). Следовательно, при разработке базового электрода существует компромисс между усилением тока и током отключения.

В целом, моделирование подтверждает работу OBJT как с дифференциальным усилением, так и с усилением большого сигнала. Кроме того, они дают четкие рекомендации по дальнейшему совершенствованию устройств.

Скорость работы OBJT

При общей толщине устройства примерно 1 мкм и высокой вертикальной подвижности примерно 3 см ²  V ^–1  с ^–1 OBJT хорошо подходят для работы на высоких частотах. Наиболее важным параметром динамических характеристик транзистора любого типа является частота среза при единичном усилении. Прямое измерение этой величины требует достаточного усиления большого сигнала и стабильности работы. К сожалению, в наших OBJT мы получаем усиление большого сигнала только при максимальном приложенном смещении, что приводит к нестабильному поведению (рис. 1g). Тем не менее, мы разумно оцениваем максимальную скорость работы, оценивая резисторно-конденсаторное время системы. Подобно расчетам, выполненным для полевого транзистора, можно оценить максимальную скорость работы в виде частоты перехода из статических свойств, используя:

$${f}_{{\rm{T}}}=\frac{{g}_{{\rm{m}}}}{2{\rm{\pi }}C}$$

(1)

, где g _m и C обозначают крутизну транзистора и емкость соответственно. Крутизна описывает изменение выходного тока при входном напряжении. В случае OBJT это можно записать как:

$${g}_{{\rm{m}}}=\frac{{\partial I}_{{\rm{c}}}}{ \partial {V}_{{\rm{BE}}}}=\beta \frac{\partial {I}_{{\rm{B}}}}{\partial {V}_{{\rm{ БЫТЬ}}}}$$

(2)

Поскольку выходной ток ( I _C ) связан с входным током ( I _B ) через усиление ( β ), дифференциальная крутизна определяется дифференциальной проводимостью входного диода. Точно так же определяющая емкость определяется входным диодом, если предположить, что диффузия через базу достаточно быстрая, частота перехода, по-видимому, ограничена только свойствами входного диода. На основе результатов, полученных в результате моделирования, одна из целей состоит в том, чтобы максимально уменьшить прямой ток базы, что уменьшит проводимость входного диода. Однако усиление устройства будет соответственно увеличиваться, оставляя г _м константа. Прямое измерение частоты перехода затруднено для OBJT из-за паразитных диодов, которые влияют на фазу измерения слабого сигнала. Тем не менее, высокая степень согласия между прямыми измерениями частоты перехода и оценками крутизны/емкости в литературе позволяет нам оценить частотную характеристику наших OBJT ^13,14,27 . Для устройства, показанного на рис. 1g, результирующая крутизна достигает 0,1 См (рис. 1i) в диапазоне, в котором устройства демонстрируют усиление, тогда как емкость составляет около 10 пФ (рис. 1h). Это приводит к частоте перехода 1,6 ГГц, что аналогично скорости работы одиночных диодов на основе рубрена ²⁶ и, следовательно, обеспечивает значительный шаг (в 10–40 раз) по сравнению с современным уровнем развития органических транзисторов ^12,14 . Две причины превосходства OBJT: (1) высококристаллические пленки, которые обладают улучшенной подвижностью по сравнению с большинством OSC, и (2) сверхнизкая емкость устройств, связанная с конструкцией транзистора с вертикальным биполярным переходом. Кроме того, ограничения контактного сопротивления здесь менее заметны, потому что все интерфейсы металл-OSC легированы по умолчанию и не ограничивают инжекцию, что подтверждается поведением, подобным анализу тока с ограничением пространственного заряда, в устройствах с рубреновыми иглами.

Длина диффузии неосновных носителей заряда

Принцип работы OBJT основан на диффузии неосновных носителей заряда (дырок) через основу (n-легированную пленку). В идеальном устройстве длина диффузии может быть рассчитана непосредственно из концентраций легирующих примесей, ширины базового слоя и результирующего усиления. Однако, как обсуждалось, измеренное здесь усиление представляет собой не собственное усиление самого транзистора, а устройства как схемы. Тем не менее, наблюдение усиления доказывает диффузию неосновных носителей через базу с длиной диффузии неосновных носителей не менее 20 нм для устройств с легированием базы 1 % по массе. Кроме того, были проведены эксперименты, в которых варьировались свойства легирования и структура основы. В соответствии с теорией транзистора с неорганическим биполярным переходом как увеличение легирования базы с 1 % масс. до 5 % масс., так и увеличение толщины базового слоя существенно снижают усиление тока. Сильная зависимость OBJT от толщины базы и концентрации легирования связана с операцией диффузии неосновных носителей, что резко контрастирует с работой органических транзисторов с проницаемой базой, основанной на переносе большинства носителей. Можно оценить диффузионную длину от приборов с разной толщиной основания, когда все остальные параметры остаются одинаковыми. На рис. 3 показана работа OBJT на основе нового набора устройств с улучшенной геометрией электродов, уменьшающей площадь перекрытия электродов, не влияющую на работу транзистора. Уменьшение площади перекрытия паразитных электродов улучшает характеристики транзистора, что соответствует моделированию TCAD (рис. 3d). На основе этих измерений оценивается длина диффузии дырок через рубрен, легированный n, путем подбора классического соотношения биполярного перехода \(\beta \propto {\rm{\coth}}\left(\frac{W} {{L}_{{\rm{D}}}}\right)\) вместе с откалиброванным моделированием TCAD, чтобы быть примерно 50     нм, демонстрируя отличное согласие с экспериментальными результатами и работу устройства с преобладанием несущей частоты с использованием длина входной диффузии 50 нм (рис. 3d–f и расширенные данные, рис. 1 и 3). Диффузионные длины экситонов в микрометровом диапазоне, найденные в экспериментах по фотовозбуждению монокристаллов рубрена ²⁸ указывают на принципиально разные механизмы, управляющие транспортом и релаксацией неосновных дырок. Учитывая высокий структурный порядок кристаллов рубрена после легирования, рекомбинационные процессы, вероятно, обусловлены небольшим уширением состояний плотности. Наше устройство OBJT предоставляет инструмент для получения прямого доступа к физическим свойствам диффузии неосновных носителей в системах OSC с аналогичной высокой подвижностью, открывая возможность исследовать фундаментальные вопросы о механизмах рекомбинации неосновных носителей в OSC.

Рис. 3: Толщина и концентрация легирования OBJT.

a , b , Дифференциальная амплификация OBJT с различной толщиной базового слоя ( a ) и тетракис(гексагидропиримидинопиримидин)дитольфрама(II) (W ₂ (hpp) 2 концентрации

3 легирования 4

1 б ). c , d , Изображения с оптического микроскопа различных конструкций электродов OBJT ( c ) и соответствующие кривые дифференциального усиления устройства ( д ). Сплошные линии обозначают экспериментальные результаты, а полые символы обозначают результаты моделирования TCAD. Масштабные линейки, 100  мкм. Устройство имеет толщину основания 20 нм с концентрацией легирования 1 % масс. W ₂ (hpp) ₄ . e , Нормализованное дифференциальное усиление как функция эффективной ширины базы и легирования. Эффективная ширина основания представляет собой толщину основания за вычетом длины пространственного заряда (2LSCL составляет приблизительно 10 нм, определенное из моделирования TCAD и электрических характеристик). Дифференциальное усиление снималось при токе базы 10 ⁻⁵ мА, для которого наблюдается хорошее совпадение результатов TCAD и эксперимента. Столбики погрешностей обозначают стандартную ошибку среднего значения путем усреднения по пяти устройствам, подготовленным за один прогон. Красная кривая представляет собой аппроксимацию с неосновной диффузионной длиной 50 нм. f , Смоделированная TCAD плотность тока дырок в качестве неосновных носителей (вверху) и плотность тока электронов (внизу) в n-легированном базовом слое.

Изображение в натуральную величину

Таким образом, мы демонстрируем функциональный OBJT, доставляя недостающую часть головоломки на дорожной карте органических транзисторов. Наши OBJT, основанные на высококристаллических тонкопленочных кристаллах рубрена, не только открывают многообещающий путь к сверхвысокочастотным органическим транзисторам, но также позволяют изучать важные фундаментальные физические параметры, такие как длина диффузии неосновных носителей, которая оценивается примерно в 50 нм. при концентрации легирования 5 мас.% для кристаллов рубрена. Мы считаем, что наши результаты прокладывают путь к высокопроизводительным органическим электронным устройствам следующего поколения и предоставляют инструмент для понимания физики диффузии носителей в OSC с высокой подвижностью.

Методы

Детали получения тонкопленочных кристаллов рубрена

Процедуры выращивания

Общий процесс выращивания тонкопленочных кристаллов рубрена описан в ссылках. ^29,30 . На рис. 4a,b с расширенными данными мы показываем процесс изготовления тонкопленочных кристаллов рубрена и типы фазы тонкопленочных кристаллов рубрена при легировании соответственно. Тонкий слой аморфного рубрена наносится на подложку методом вакуумного осаждения, а затем отжигается в атмосфере азота, чтобы инициировать рост кристаллов. Возможны различные кристаллические фазы в зависимости от свойств поверхности и температуры нагрева. Тремя наиболее распространенными типами кристаллов являются триклинные сферолиты, орторомбические сферолиты и орторомбические пластинки (расширенные данные, рис. 4b). Триклинные кристаллы начинают формироваться примерно при 120 °C и являются наиболее прочными и воспроизводимыми из обычных кристаллических фаз. Ранее мы показали улучшенные свойства триклинных пленок в гигагерцовых диодах ²⁶ . Хотя вертикальная подвижность в этих триклинных пленках высока, латеральный транспорт неэффективен из-за сильно разветвленной природы этих пленок. Орторомбические кристаллы находятся в центре внимания большинства публикаций из-за изотропных свойств переноса заряда, происходящих из его молекулярной упаковки в елочку с идеальным перекрытием волновых функций ^31,32,33 . Сферолитная конфигурация орторомбической упаковки растет при более высоких температурах выше 170 °C без сильного разветвления и может быть легко идентифицирована под поляризованным микроскопом по прямым лучам, расходящимся веером из отдельного центра каждого кристаллита. Орторомбические тромбоциты представляют собой наиболее сложную фазу для последовательного создания. Нагрев от 150°C до 170°C обычно приводит к образованию нескольких монокристаллов или скоплений кристаллов, распределенных по поверхности. Предыдущее исследование показало, что равномерное и поверхностное распределение кристаллов пластинок может быть достигнуто путем введения подслоя с соответствующей температурой стеклования ³⁴ . Здесь мы используем 5 нм 4,4′-циклогексилиденбис[ N , N -бис(4-метилфенил)бензоламин] (TAPC), что приводит к успешному росту кристаллов на стеклянных и кремниевых подложках, а также на структурированных металлах и индиях. электроды из оксида олова ³⁵ .

Эпитаксия и легирование

Чтобы создать OBJT, нам нужно точно контролировать общую толщину кристалла и последовательность легированных пленок, чтобы реализовать сложные наборы устройств. Мы вводили легирование с помощью совместного испарения в исходный затравочный и эпитаксиально выращенный слои. Максимальная концентрация легирующей примеси, которая позволяет воспроизводимую кристаллизацию затравки, составляет менее 2  мас.% как для исследуемых здесь примесей p-типа, так и для n-типа. Пленки, добавленные с помощью эпитаксии, могут быть легированы в значительно более высоких концентрациях без каких-либо значительных изменений в морфологии, видимых с помощью поляризованной микроскопии. Однако изменение свойств поверхности можно увидеть при измерениях с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Плато, перемешанные с линейными и винтовыми дислокациями, описанными в работе. ³⁶ видны для нелегированных кристаллов, но постепенно превращаются в более зернистую поверхность с меньшим количеством отличительных особенностей при введении легирования (рис. 5 и 6 с расширенными данными).

Структурный анализ

Измерения GIWAXS тонких пленок затравки и объемного материала показывают изменение молекулярной упаковки кристаллов рубрена при легировании. Двумерные (2D) графики изображения рассеяния (расширенные данные, рис. 7а) доказывают высокую степень кристалличности, особенно орторомбической формы пластинок. Ширины соответствующих пиков рассеяния указывают на степень беспорядка вдоль соответствующей оси. Здесь сигнал в плоскости ( xy ) соответствует a — и b — кристаллической оси элементарной ячейки рубрена, что важно для латерального транспорта. Ось вне плоскости определяется осью c , относящейся к вертикальной транспортировке. Расширенные данные На рис. 7b показано изменение ширины пика в обоих направлениях в зависимости от концентрации и типа легирования. Пики значительно шире в направлении вне плоскости, что, однако, может быть частично объяснено способом анализа данных (см. раздел «Анализ GIWAXS» и расширенные данные, рис. 8). Относительное изменение, однако, более важно, чем абсолютные значения. Данные в плоскости ведут себя, как и ожидалось, в том смысле, что более высокая концентрация легирования приводит к уширению пиков, что указывает на снижение молекулярного порядка. Введение н-примеси тетракис(гексагидропиримидинопиримидин)дитольфрама(II) (W ₂ (hpp) ₄ ) оказывает более сильное воздействие, чем п-добавка 1,3,4,5,7,8-гексафтортетрацианонафтохинодиметан (F ₆ -TCNNQ), когда обе пленки легированы до одинаковой массовой концентрации. . Введение легирующей примеси в объемную часть пленки обычно увеличивает беспорядок в пленке как для пластинчатых, так и для сферолитовых образцов (расширенные данные, рис. 7б). Ось вне плоскости ведет себя иначе. Здесь легирование затравки показывает сильное изменение ширины пика, предполагая, что интеграция примеси в структуру во время кристаллизации затравки влияет главным образом на c направление. Интеграция легирующей примеси в объемные пленки постепенно увеличивает ширину пика, аналогично поведению в плоскости. Однако относительно более сильное влияние n-примеси по сравнению с p-добавкой проявляется еще сильнее. Можно сделать вывод, что введение молекул допанта изменяет молекулярную структуру пленок рубрена, но лишь в ограниченной степени. Более высокие концентрации легирования создают более сильное возмущение, тогда как W ₂ (hpp) ₄ оказывает более сильное влияние, чем F6-TCNNQ, предположительно из-за размера и стерических свойств трех молекул.

Перенос заряда

Боковой электрический перенос широко изучался в нелегированных пленках всех трех кристаллических фаз ^{26,29,34,35,37,38} . Lateral mobilities are in the range of 10 ⁻²  cm ²  V ⁻¹  s ⁻¹ for triclinic films ²⁵ and 1–4 cm ²  V ⁻¹  s ⁻¹ для ромбических пленок ^34,35,37,38 . Боковая подвижность носителей заряда в пластинках обычно немного лучше, чем в сферолитовых кристаллах, в зависимости от ориентации кристалла к электроду. Однако в вертикальных органических устройствах, включая исследованные здесь транзисторы с биполярным переходом, латеральный и вертикальный транспорт происходят одновременно. Ранее нами были представлены данные о вертикальном и латеральном транспорте нелегированных и легированных пленок триклинной кристаллической фазы 9.0071 25 . Несмотря на превосходные транспортные свойства в вертикальном направлении, эти пленки не подходят для устройств OBJT из-за их посредственных транспортных свойств в поперечном направлении. Поэтому мы сосредоточимся в основном на свойствах вертикального переноса заряда в орторомбических кристаллах, которые имеют отношение к нашим устройствам OBJT.

Расширенные данные На рис. 4c показаны кривые IV кристаллических тонких пленок всех трех кристаллических фаз для нелегированного материала с длиной волны 400 нм, зажатого между золотыми электродами. В отличие от латеральных измерений, вертикальная проводимость наибольшая для триклинных пленок, тогда как оба типа орторомбических кристаллов ведут себя одинаково. Этот вывод является ожидаемым, поскольку стопки, перпендикулярные поверхности, более плотные в триклинной полиморфной модификации и идентичны для обоих типов орторомбических кристаллов. Различия между тромбоцитарными и сферолитными пленками можно объяснить влиянием инъекций из-за низкой подвижности и потенциала глубокой ионизации подслоя ТАРС, используемого для тромбоцитов ³⁹ .

Для дальнейшего анализа переноса мы выполнили анализ тока с ограничением пространственного заряда (SCLC) для сферолитовых кристаллов на основе наборов пленок с 400 нм и 600 нм собственного кристалла ( L ), зажатых между 40 нм инжекции слои, легированные 5  вес.% p-примеси F6-TCNNQ и золотыми электродами (расширенные данные, рис. 4e). При высоких напряжениях (более 1 В) видна четкая квадратичная зависимость, свидетельствующая о ТОПЗ-поведении дырок. Расчетная вертикальная подвижность кристаллов сферолита составляет около 3  см 9 .0071 2  V ⁻¹  s ⁻¹ (подробный анализ SCLC см. на рис. 9а с расширенными данными), что ниже, чем у триклинной кристаллической фазы (приблизительно 10 см ²  V ⁻¹ −1 ) ²⁶ . Разница между вертикальной и латеральной подвижностью в орторомбических кристаллах близка к изотропной, что выгодно для приложений, в которых перенос заряда происходит как в латеральном, так и в вертикальном направлениях. В качестве иллюстрации расширенные данные рис. 4d (сферолиты) и расширенные данные рис. 9б (пластинки) показывают влияние легирования F6-TCNNQ на вертикальную проводимость тока. Даже небольшое количество легирования увеличивает вертикальную проводимость на порядки. Повышенная проводимость при малых напряжениях (менее 0,1 В) указывает на то, что значительная часть этого увеличения проводимости может быть связана со снижением сопротивления инжекции. Дальнейшее увеличение концентрации легирования вызывает соответствующее увеличение тока; однако эффективность процесса легирования снижается с более высокой концентрацией легирования, как и ожидается от высококристаллических систем ⁴⁰ . Электронное легирование рубрена n-примесью W ₂ (hpp) ₄ работает аналогично, но с меньшей эффективностью легирования и меньшей подвижностью носителей заряда ^26,41 .

Подготовка образцов

Приборы изготовлены на стеклянных пластинах размером 25 × 25 мм ² . Подложки очищают в ацетоне, этаноле, изопропаноле и деионизированной воде. Каждую подложку обрабатывают раствором пираньи в течение 15 минут, чтобы получить чистую и гидрофильную поверхность, а затем промывают в деионизированной воде и сушат азотом. Рубрен предоставлен TCI, а F ₆ -TCNNQ и W ₂ (HPP) ₄ предоставляются Novaled. Слои наносят методом термического испарения в вакууме при базовом давлении 1 × 10 ^–8  мбар. Скорость испарения семян не влияет на остальную часть процесса. После нанесения нижнего металлического электрода (30–40 нм), подслоя ТАПК (5 нм) и первого аморфного слоя рубрена (30–40 нм) образцы переносятся в бардачок с азотом, без доступа воздуха. Термообработку проводят на предварительно разогретой плитке при 160–180 °С в течение 1–3 мин. При необходимости добавляются дополнительные слои с использованием совместного испарения рубрена и легирующей примеси с тем же вакуумным напылением со скоростью от 0,5 Å с ⁻¹ и 3 Å s ⁻¹ в зависимости от концентрации легирования. Электроды и полупроводник структурированы с помощью теневых масок. Активные области для измерений проводимости и SCLC варьируются от 50 × 50 мкм ² до 150 × 150 мкм ² . Устройства, используемые для измерения проводимости, имеют общую толщину 400 нм. Исходное семя не легировано. На электроды не вводится никакое дополнительное легирование, кроме данного объемного легирования. SCLC анализировали с использованием двух наборов приборов с общей толщиной 400 нм и 600 нм L каждая и активные области между 50 × 50  мкм ² и 150 × 150  мкм ² . Стек состоит из 20 нм нелегированной затравки и соответствующей толщины нелегированного объемного слоя, зажатого между 40 нм легированной пленки (5 % по массе для инжекции) и 30 нм золота. Значение подвижности извлекается с использованием 1/ L ³ зависимости подгонок, полученных из подгонок V ² -зависимого тока SCLC. Для устройств OBJT трафаретные маски на основе кремния используются для структурирования металлических электродов, электроды эмиттера и коллектора состоят из простых перекрывающихся прямоугольников, тогда как базовые электроды состоят из гребнеобразной структуры с прямоугольными пальцами. Ширина электродов эмиттера и коллектора составляет 100 мкм и 60 мкм соответственно. Ширина основных пальцев составляет 12 мкм, расстояние между ними сохраняется на уровне 12 мкм. Количество пальцев в каждой из гребенчатых структур базового электрода регулируется в соответствии с шириной и расстоянием между пальцами, чтобы приблизительно покрыть площадь перекрытия между эмиттерным и коллекторным электродами. Устройства, использованные для испытаний, показанных на рис. 3, имеют пальцеобразные электроды толщиной около 15 мкм как для эмиттера, так и для базы. Коллекторный электрод представляет собой либо стандартную прямоугольную полоску, либо пальцеобразный электрод (детали представлены на рис. 10 с расширенными данными).

Измерения

Мы выполнили измерения электрического постоянного тока с использованием источников измерения Keithley 236, Keithley 2400 и Keithley 2600, в которых измерения емкости проводились с помощью HP 4284A в атмосфере азота. Электрические измерения были выполнены с использованием программного обеспечения SweepMe! (sweep-me.net). Микрофотографии были получены с помощью поляризационного микроскопа Nikon Eclipse LC100 PL/DS. Мы выполнили измерения АСМ с помощью AIST-NT Combiscope1000 и измерения GIWAXS на линии луча Bl11 NCD-Sweet на синхротроне ALBA в Барселоне, Испания. Тонкие пленки освещались под углом скольжения 0,12 с энергией луча 12,95 кэВ и размер пучка 70 × 150 м ² (по вертикали × по горизонтали). Дифракционная картина была записана с помощью детектора площади LX255-HS от Rayonix, который был помещен примерно в 14 см позади образцов. Оксид хрома (Cr ₂ O ₃ ) использовали для калибровки расстояния образец-детектор и положения луча на детекторе. Данные были проанализированы с помощью программного обеспечения WxDiff (S.M.).

Моделирование TCAD

Synopsys TCAD использовался с передовыми физическими моделями и инструментами моделирования устройств (редактор структуры, sdevice, svisual и inspect) для моделирования электрических характеристик OBJT и анализа результатов моделирования. Измеренные данные OBJT использовались для настройки и калибровки симулятора TCAD от Synopsys Sentaurus. Считалось, что гауссова плотность состояний аппроксимирует эффективную плотность состояний носителя в OSC. Модель мобильности Пула-Френкеля, зависящая от электрического поля, использовалась для обеспечения прыжкового транспорта носителей. Мы использовали модель генерации постоянных носителей для расчета процесса генерации и рекомбинации постоянных носителей.

Анализ GIWAXS

Оценка качества кристаллов в плоскости и вне плоскости 121) Отражение (

Q _XY = 1,23 Å ^-1 и Q _Z = 0,23 Å ^-1 ) анализировали на 2 -й Золовах ^-1 ) были анализируются в 2 -й раленности. 0101 Q — вектор рассеяния, Q _xy — вектор рассеяния в плоскости и Q _z — вектор рассеяния вне плоскости). Были проанализированы направления как в плоскости, так и вне ее, чтобы получить информацию о качестве кристалла в плоскости подложки и перпендикулярно ей. Во время измерений мы поворачивали каждый образец на 360° в плоскости подложки и делали отдельные снимки через каждые 1,23°.

Анализ плоскостного направления

Для анализа качества кристаллов в плоскости мы сделали отдельные изображения под определенными углами, чтобы свести к минимуму появление множественных пиков, происходящих от одного и того же отражения (вызванных разными положениями рассеяния на образце) . Сначала из изображения рассеяния были извлечены сегменты торта в диапазоне от Q = 1,15 Å ⁻¹ до Q = 1,35 Å ^-1 и от χ = 6 ° до χ = 15 ° (где χ является азимутанским углом). Затем сегмент пирога был преобразован в график х по сравнению с Q . Из этого участка колонны были суммированы в области, в диапазоне Q = 1,15 Å ^-1 до Q = 1,35 Å ^-1 и от χ = 6,1 ° до χ = 14,9. . Пять процентов данных с каждой стороны по горизонтали использовались для удаления линейного фона путем подгонки.

Анализ внеплоскостного направления

Для анализа качества внеплоскостного кристалла мы усреднили изображения, сделанные под отдельными углами. Это стало возможным, потому что множественные пики, вызванные рассеянием из разных положений на образцах, приводят к пикам, центр которых выровнен по линии, проходящей от центра пучка. Сегменты первой корки были извлечены из изображения рассеяния в диапазоне от Q  = 1,15 Å ⁻¹ до Q  = 1,35 Å ⁻¹ и от χ  = 6° до χ  = 15°. Сегмент пирога затем был преобразован в график х по сравнению с Q . Из этого участка ряды были суммированы в области в диапазоне от Q = 1,15 Å ^-1 до Q = 1,35 Å ^-1 и от χ = 6,1 ° до χ = 14,9. . Пять процентов данных с каждой стороны по вертикали использовались для удаления линейного фона путем подгонки.

Анализ пиков в плоскости

Полученные спектры были аппроксимированы с использованием кривых Гаусса и постоянного смещения. Количество используемых гауссианов определялось качеством подгонки и оценкой количества пиков, различимых на двумерных изображениях рассеяния. Полученные спектры аппроксимировались с использованием одной кривой Гаусса с постоянным смещением.

Доступность данных

Данные, подтверждающие результаты этого исследования, доступны по адресу https://opara.zih.tu-dresden.de/xmlui/handle/123456789./2048.

Ссылки

1. Сомея Т., Бао З. и Маллиарас Г. Г. Развитие пластиковой биоэлектроники. Природа 540 , 379–385 (2016).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

2. «>

   Wang, S. et al. Электроника кожи из масштабируемого изготовления массива транзисторов с возможностью растяжения. Природа 555 , 83–88 (2018).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

3. Ходаголы Д. и др. Запись активности мозга in vivo с использованием органических транзисторов. Нац. коммун. 4 , 1575 (2013).

   ПабМед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

4. Sirringhaus, H. Статья к 25-летию: органические полевые транзисторы: выход за пределы аморфного кремния. Доп. Матер. 26 , 1319–1335 (2014).

   КАС пабмед ПабМед Центральный Статья Google ученый

5. Клаук, Х., Зшишанг, У., Пфлаум, Дж. и Халик, М. Органические дополнительные схемы сверхмалой мощности. Природа 445 , 745–748 (2007).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

6. Штутцманн, Н., Френд, Р. Х. и Сиррингхаус, Х. Самовыравнивающиеся полимерные полевые транзисторы с вертикальным каналом. Наука 299 , 1881–1884 (2003).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

7. Фратини С., Николка М., Саллео А., Швайхер Г. и Сиррингхаус Х. Перенос заряда в сопряженных полимерах с высокой подвижностью и молекулярных полупроводниках. Нац. Матер. 19 , 491–502 (2020).

   КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

8. Цуруми, Дж. и др. Сосуществование сверхдлительного времени спиновой релаксации и когерентного переноса заряда в органических монокристаллических полупроводниках. Нац. физ. 13 , 994–998 (2017).

   КАС Статья Google ученый

9. Мыни К. Разработка гибких интегральных схем на основе тонкопленочных транзисторов. Нац. Электрон. 1 , 30–39 (2018).

   КАС Статья Google ученый

10. Люссем, Б. и др. Легированные органические транзисторы, работающие в режиме инверсии и обеднения. Нац. коммун. 4 , 2775 (2013).

    ПабМед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

11. Климанн Х., Кречан К., Фишер А. и Лео К. Обзор вертикальных органических транзисторов. Доп. Функц. Матер. 30 , 1

    3 (2020).

    КАС Статья Google ученый

12. Kheradmand-Boroujeni, B. et al. Метод измерения слабого сигнала, обеспечивающий работу вертикальных органических транзисторов на частоте 40  МГц. Науч. Респ. 8 , 7643 (2018).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

13. Borchert, J.W. et al. Гибкие низковольтные высокочастотные органические тонкопленочные транзисторы. Науч. Доп. 6 , eaaz5156 (2020).

    КАС пабмед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

14. Перино, А., Джорджио, М., Маттоли, В., Натали, Д. и Кайрони, М. Органическая электроника набирает темп: органические транзисторы без масок, обработанные раствором, работающие на частоте 160 МГц. Доп. науч. 8 , 2001098 (2021).

    КАС Статья Google ученый

15. «>

    Guo, E. et al. Вертикальные органические проницаемые двухбазовые транзисторы для логических схем. Нац. коммун. 11 , 4725 (2020).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

16. Клаук Х. Увидим ли мы гигагерцовые органические транзисторы? Доп. Электрон. Матер. 4 , 1700474 (2018).

    Артикул КАС Google ученый

17. Higgins, S.G. et al. Самовыравнивающиеся органические полевые транзисторы на пластике с пикофарадными перекрывающими емкостями и мегагерцовыми рабочими частотами. Заяв. физ. лат. 108 , 023302 (2016).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

18. Чакраборти, П. С. и др. 130 нм, 0,8 ТГц fmax, 1,6 В BVCEO SiGe HBT, работающие при 4,3 К. IEEE Electron Device Lett. 35 , 151–153 (2014).

    КАС Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

19. Friend, R.H. et al. Экситоны и заряды на гетеропереходах органических полупроводников. Фарадей Обсудить. 155 , 339–348 (2012).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

20. Schwarze, M. et al. Разработка зонной структуры в органических полупроводниках. Наука 352 , 1446–1449 (2016).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

21. Burlingame, Q. et al. Сантиметровая диффузия электронов в фотоактивных органических гетероструктурах. Природа 554 , 77–80 (2018).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

22. «>

    Саркар Д. и Халас Н. Дж. Эффект Дембера в C ₆₀ тонкие пленки. Твердотельный коммуник. 90 , 261–265 (1994).

    КАС Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

23. Лант, Р. Р., Гибинк, Н. К., Белак, А. А., Бензигер, Дж. Б. и Форрест, С. Р. Длина диффузии экситонов в тонких пленках органических полупроводников, измеренная с помощью тушения фотолюминесценции со спектральным разрешением. Дж. Заявл. физ. 105 , 053711 (2009 г.).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

24. Лант, Р. Р., Бензигер, Дж. Б. и Форрест, С. Р. Связь между кристаллическим порядком и экситонной диффузионной длиной в молекулярных органических полупроводниках. Доп. Матер. 22 , 1233–1236 (2010).

    КАС пабмед Статья Google ученый

25. «>

    Siegmund, B. et al. Длина диффузии экситона и коэффициент извлечения заряда в органических двухслойных солнечных элементах. Доп. Матер. 29 , 1604424 (2017).

    Артикул КАС Google ученый

26. Sawatzki, M. F. et al. Легированные высококристаллические органические пленки: к высокоэффективной органической электронике. Доп. науч. 8 , 2003519 (2021).

    КАС Статья Google ученый

27. Ямамура, А. и др. Быстродействующий органический монокристаллический транзистор, реагирующий на очень высокие частоты. Доп. Функц. Матер. 30 , 11 (2020).

    КАС Статья Google ученый

28. Наджафов Х., Ли Б., Чжоу К., Фельдман Л.К. и Подзоров В. Наблюдение диффузии экситонов на большие расстояния в высокоупорядоченных органических полупроводниках. Нац. Матер. 9 , 938–943 (2010).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

29. Парк, ЮЗ-З. и другие. Рубреновые тонкопленочные транзисторы с кристаллическими и аморфными каналами. Заяв. физ. лат. 90 , 153512 (2007 г.).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

30. Verreet, B., Heremans, P., Stesmans, A. & Rand, B.P. Микрокристаллические органические тонкопленочные солнечные элементы. Доп. Матер. 25 , 5504–5507 (2013).

    КАС пабмед Статья Google ученый

31. Fratini, S., Ciuchi, S., Mayou, D., Trambly de Laissardière, G. & Troisi, A. Карта высокомобильных молекулярных полупроводников. Нац. Матер. 16 , 998–1002 (2017).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

32. «>

    Подзоров В., Менар Э., Роджерс Дж. А., Гершенсон М. Э. Эффект Холла в аккумулирующих слоях на поверхности органических полупроводников. Физ. Преподобный Летт. 95 , 226601 (2005 г.).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

33. Дакунья Дж. и Саллео А. Моделирование токов, ограниченных пространственным зарядом, в органических полупроводниках: определение плотности ловушек и подвижности. Физ. B 84 , 195209 (2011).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

34. Fusella, MA et al. Использование подслоя для кристаллизации больших площадей тонких пленок рубрена. Хим. Матер. 29 , 6666–6673 (2017).

    КАС Статья Google ученый

35. Ван, С.-Дж. и другие. Вакуумная обработка легированных тонкопленочных кристаллов большой площади: новый подход к высокопроизводительной органической электронике. Матер. Сегодня физ. 17 , 100352 (2021).

    КАС Статья Google ученый

36. Fusella, M. A. et al. Гомоэпитаксия тонких пленок кристаллического рубрена. Нано Летт. 17 , 3040–3046 (2017).

    КАС пабмед Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ Google ученый

37. Lee, H. et al. Высококачественные тонкие пленки кристаллического рубрена, индуцированные резким нагревом, для тонкопленочных органических транзисторов. Орг. Электрон. 12 , 1446–1453 (2011).

    КАС Статья Google ученый

38. Ли, Х., Ким, Дж., Чой, Дж. и Чо, С. Создание рисунка на месте высококачественных тонких пленок кристаллического рубрена для структурированных органических полевых транзисторов с высоким разрешением. ACS Nano 5 , 8352–8356 (2011 г. ).

    КАС пабмед Статья Google ученый

39. Аонума, М., Оямада, Т., Сасабе, Х., Мики, Т. и Адачи, С. Дизайн материалов для транспортировки отверстий, способных образовывать толстую пленку в органических светоизлучающих диодах. Заяв. физ. лат. 90 , 183503 (2007 г.).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

40. Tietze, M.L. et al. Элементарные этапы электрического легирования органических полупроводников. Нац. коммун. 9 , 1182 (2018).

    ПабМед ПабМед Центральный Статья ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

41. Бисри С., Такенобу Т., Такахаши Т. и Иваса Ю. Транспорт электронов в рубреновых монокристаллических транзисторах. Заяв. физ. лат. 96 , 183304 (2010).

    Артикул ОБЪЯВЛЕНИЯ КАС Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Мы благодарим A. Hiess и F. Winkler за изготовление трафаретных масок. Эксперименты GIWAXS проводились на линии пучка Bl11 NCD-SWEET на синхротроне ALBA в сотрудничестве с персоналом ALBA. Ф.Т. и С.М. признаем финансовую поддержку со стороны Немецкого исследовательского фонда (DFG, MA 3342/6-1) и признаем поддержку со стороны German Excellence Initiative через Cluster of Excellence EXC 1056 Центр развития электроники в Дрездене (cfaed). К.Л. подтверждает финансирование проекта DFG Le747/52.

Информация о авторе

Авторы Примечания

1. Эти авторы внесли вклад в равной степени: Шу-Джен Ван, Майкл Савацки

АВТОРЫ И АРПИЛИИ

1. DRESDEN INTERCHATERESTERESE ALIVERTIED и PITONIMES и PITONIMES и PITONIMES и PITONIMES и PITONIDESINDERINDEA и PITONIDESIRINDERINDERINDE. Дрезден, Дрезден, Германия

   Shu-Jen Wang, Michael Sawatzki, Jörn Vahland, Hans Kleemann и Karl Leo

2. NanoP, Technische Hochschule Mittelhessen, Университет прикладных наук, Гиссен, Германия

   Ghader Darbandy & Alexander Kloes

3. Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed), Technische Universität Dresden, Dresden, Germany

   Felix Talnack, Stefan Mannsfeld & Karl Leo

4. ALBA Synchrotron, Barcelona, ​​Spain

   Marc Malfois

Авторы

1. Shu-Jen Wang

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Академия

2. Michael Sawatzki

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

3. Ghader Darbandy

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

4. Felix Talnack

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

5. Jörn Vahland

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

6. Marc Malfois

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

7. Alexander Kloes

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

8. Стефан Маннсфельд

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

9. Hans Kleemann

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

10. Karl Leo

    Просмотр публикаций автора

    Вы также можете искать этого автора в PubMed Google Scholar

Contributions

S. -J.W., MS, H.K. и К.Л. разработали и спланировали эксперименты. С.-Дж.В. и М.С. выполнила изготовление устройства и электрические характеристики при участии J.V.G.D. и A.K. выполнили моделирование TCAD. Ф.Т., М.М. и С.М. выполнил анализ GIWAXS. Х.К. и К.Л. руководил работой. Все авторы обсудили результаты и внесли свой вклад в подготовку рукописи.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с Карл Лео.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы не заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Рецензирование

Информация о рецензировании

Nature благодарит анонимных рецензентов за их вклад в рецензирование этой работы. Доступны отчеты рецензентов.

Дополнительная информация

Примечание издателя Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Рисунки и таблицы с расширенными данными

Расширенные данные Рис.

1 Легированные тонкопленочные кристаллы рубрена и их электрические характеристики.

( a ) Схематическое изображение метода кристаллизации. ( b ) Поляризованные микроскопические изображения орторомбических пластинок и сферолитов при различных концентрациях легирования (мас.%). ( с ) IV характеристики нелегированных пленок рубрена в трех различных кристаллических фазах: Стек состоит из 30 нм нелегированной затравки и 370 нм объемной нелегированной пленки между Au-электродами (активная площадь 100 мкм × 100 мкм). ( d ) IV характеристика орторомбического сферолита в вертикальном направлении с различными концентрациями p-примеси F6-TCNNQ: Стек состоит из 30 нм нелегированной затравки и 370 нм легированной объемной пленки между Au-электродами. ( и ) IV — кривая для различной толщины кристаллов орторомбического сферолита рубрена и подгонки SCLC. V ²-режим, ожидаемый от SCLC, отмечен оранжевыми линиями и используется для расчета вертикальной подвижности 3,3 ± 2,5 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ (подробности приведены в СИ).

Дополнительные данные Рис. 2 Морфология тонкопленочных затравочных кристаллов рубрена.

Поверхностные свойства, измеренные с помощью АСМ нелегированных орторомбических пластинок рубрена при различных увеличениях и условиях роста. ( a ), выращенный без подслоя (только затравка 30 нм). ( b-d ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя (затравка 30 нм, объем 80 нм). ( e , f ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя и 40 нм Al между затравкой и объемом (30 нм затравки, 80 нм объема).

Дополнительные данные Рис. 3 Морфология тонкопленочных кристаллов рубрена с легированием.

Свойства поверхности, измеренные с помощью АСМ орторомбических рубреновых пластинок, легированных F6-TCNNQ, при различных увеличениях. ( a ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя и 5 мас.% F6-TCNNQ (затравка 30 нм, объем 80 нм). ( b ) кристалл, выращенный с 5 нм TAPC в качестве подслоя и 20 мас.% F6-TCNNQ (затравка 30 нм, объем 80 нм).

Расширенные данные Рис. 4 Рентгеновская характеристика легированных тонкопленочных кристаллов рубрена.

( a ) Обзор всего измерения GIWAXS для орторомбической пленки тромбоцитов. Структурная характеристика тонких пленок. Ширина пика 221 из измерений GIWAXS, извлеченная из аппроксимации гауссовых распределений орторомбического сферолита ( b ) и орторомбические пластинчатые ( c ) кристаллы. На вставке показан пример пика и соответствующий фитинг. Подробности, касающиеся извлечения ширины пика, приведены в экспериментальной части. Число в круглых скобках после «затравки» (легирование в затравочном слое) или «объем» (последующее легирование в объеме пленки) означает концентрацию легирования в мас. % и p/n в квадратных скобках обозначают легирование p-типа или n-типа.

Расширенные данные Рис. 5 Анализ GIWAXS.

( a ) Форма пика сигнала 121 для сферолитовой кристаллической пленки, извлеченная из измерения GIWAXS. ( b ) Форма пика сигнала 121 для кристаллической пленки тромбоцитов, извлеченная из измерения GIWAXS. ( c ) Пример подгонки для процедуры подгонки в плоскости.

Расширенные данные Рис. 6 Анализ вертикального переноса заряда.

( a ) SCLC анализ подвижности носителей заряда орторомбических сферолитовых пленок в вертикальном направлении (легированные слои р-типа на нижнем и верхнем электродах для инжекции). Режим SCLC был извлечен из устройств толщиной 400 нм и 600 нм с восемью устройствами на толщину с различной активной площадью. Планки погрешностей обозначают стандартное отклонение, рассчитанное для нескольких устройств и различных активных областей устройств (более тонкие устройства показывают больший разброс). Результирующая подвижность рассчитывается из 1/ L ³-зависимость закона Мотта Герни. Неопределенность значения основана на отклонении, измеренном от отдельных устройств. На вставке показаны фитинги SCLC, как показано на рис. 1e. ( b ) IV характеристика орторомбических пластинчатых кристаллов в вертикальном направлении с различными концентрациями p-примеси F6-TCNNQ: Стек (вставка) состоит из 30 нм нелегированной затравки и 370 нм легированной объемной пленки между Au-электродами . Кристаллы выращиваются на 5-нм TAPC в качестве подслоя.

Расширенные данные Рис. 7 Измерения емкости.

Нормализованная по площади емкость отдельного пинипа на основе рубрена при различных условиях смещения и различных частотах измерения. Активная площадь составляет 150 мкм × 75 мкм. Устройство полностью симметрично и состоит из двух 200-нм p-легированных, двух 200-нм собственных и 40-нм n-легированных рубрена.

Расширенные данные Рис. 8 Дополнительные характеристики OBJT.

( a ) IV измерения отдельных компонентов OBJT, показанных на рис. 2c. Третий, неиспользуемый электрод остается плавающим в каждом отдельном измерении. ( b ) Добавочный ток на выходе, коллектор с повышенным током базы для устройства с той же конструкцией пакета, что и на рис. 2г, но с более толстой базой (50 нм), легированной при более высокой концентрации легирования (5 мас. %) для различных напряжений эмиттер-коллектор -12 и -20В. ( c ) Результирующее усиление для устройства с той же конструкцией стопки, что и показанная на рис. 2d, но с более толстой базой (50  нм), легированной при более высокой концентрации легирования (5 мас.%) для различных напряжений эмиттер-коллектор. -12 и -20В.

Расширенные данные Рис. 9 Дополнительные измерения OBJT в зависимости от толщины и температуры.

( a ) Результирующее усиление устройств с той же конструкцией стопки, что и показанная на рис. 2d, но с более высокой концентрацией легирования (5 мас.%) и шириной базы 10 нм и 50 нм соответственно. Как и ожидалось, более высокое легирование основы и более толстый базовый слой уменьшают усиление. Из изменения усиления с толщиной основания 90 101 Вт 90 108 можно получить оценку длины диффузии через β ∝ coth( W / L _D ). В качестве среднего из этих расчетов можно извлечь значение 50 нм. ( b ) Температурно-зависимое дифференциальное усиление устройств с такой же конструкцией стека, как показано на рис. 2d. Зависимое от температуры дифференциальное усиление устройства подразумевает увеличение длины диффузии заряда с температурой, что согласуется с устройством, управляемым диффузией. Значения температуры в легенде указаны в К.

Расширенные данные Рис. 10 Схема устройства OBJT.

Схематическое сечение изготовленного OBJT с 10 пальцами ( a ), исполнение 1, ( b ), исполнение 2, и соответствующие размеры одного одиночного пальца ( c ), исполнение 1, ( d ) исполнение 2.

Дополнительная информация

Дополнительная информация

Дополнительная информация Рис. 1–4 и Таблица 1.

Файл экспертной оценки

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эта статья цитируется

• Разработка спин-обменного взаимодействия в органических полупроводниках

  • Акшай Рао
  • Александр Джеймс Джиллет
  • Ричард Генри Френд

  Натуральные материалы (2022)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Транзисторы с биполярным переходом: что они из себя представляют и что делают

31 января 2022 г.

Сказать, что многие из легких и недорогих электронных устройств, которые мы используем ежедневно, воспринимаются как должное, — это ничего не сказать. Однако многое из того, что мы используем и чем наслаждаемся, было бы невозможно без разработки и внедрения транзистора с биполярным переходом (BJT). Изобретенные в 1947 году Уильямом Шокли, BJT были неотъемлемыми компонентами современных вычислительных технологий, от компьютерной памяти до микропроцессоров и многого другого.

Давайте углубимся в то, что такое BJT, для чего они используются и как они изменили мир электроники.

Что такое биполярный транзистор?

В отличие от униполярных транзисторов, в которых используется только один тип носителей заряда, биполярный транзистор использует как электроны, так и отсутствие электронов, известное как электронная дырка, для переноса заряда. Дыры в проводящем материале остаются, когда электрон переходит из своего текущего состояния в более высокое. Эти дырки могут двигаться сквозь материал подобно электронам и вести себя как положительно заряженные частицы. Когда небольшой ток подается на один из выводов биполярного транзистора, это эффективно позволяет транзистору управлять гораздо большим током между эмиттером и коллектором, что, в свою очередь, позволяет усилить или переключить ток. Проще говоря, подумайте о биполярном транзисторе как о регуляторе тока.

Несмотря на то, что биполярные транзисторы содержат три вывода (базу, эмиттер и коллектор), термин «биполярный» используется для описания этого типа транзистора, поскольку в нем используются два разных типа полупроводникового материала (один из которых заряжен положительно, а другой одно конечно, то есть отрицательно заряженное, но об этом позже). В то время как биполярные транзисторы обычно содержат кремний (который заменил германий в качестве предпочтительного материала транзистора в 1960-х годах из-за его превосходной термической стабильности) в качестве основного материала, примеси могут быть добавлены с помощью процесса, известного как «легирование», чтобы получить различные слои транзистора. вести себя как требуется.

Основные области применения биполярных транзисторов

Хотя оригинальной технологии уже почти 70 лет, биполярные транзисторы по-прежнему широко используются для усиления и переключения сигналов. В цифровых схемах они используются для усиления радиочастот и переключения больших токов.

При работе с высокоскоростной цифровой логикой биполярные транзисторы часто сочетаются с полевыми транзисторами на основе оксидов металлов и полупроводников (известными как MOSFET-транзисторы). Эти транзисторы жизненно важны для использования радиочастот и являются неотъемлемыми компонентами микросхем высокого класса.

Возможно, тем, кто увлекается теоретической физикой и исследованием космоса, будет еще интереснее то, что биполярные транзисторы в сочетании с полевыми МОП-транзисторами позволяют использовать транзисторы Шокли в ускорителях частиц. Эти ускорители открывают тайны Вселенной в относительно чистом производстве энергии, обеспечиваемой ядерными реакторами, и через множество спутников на орбите вокруг Земли и за ее пределами.

Вернувшись на Землю, биполярные переходные транзисторы составляют основу многих коммерчески доступных электронных усилителей и датчиков температуры, используемых во многих различных отраслях. Эти типы транзисторов также используются для сжатия сигналов, чтобы их могли обрабатывать схемы без биполярных транзисторов.

Кроме того, BJT являются наиболее часто используемым типом транзисторов, используемых в следующих схемах:

Логические схемы

Логические схемы используются для выполнения логических операций в вычислениях. Существует два основных типа логических схем: комбинационные схемы и схемы состояния.

Схемы усилителей

Как следует из названия, схемы усилителей используются для усиления сигнала таким образом, чтобы выходной сигнал превышал входной сигнал, а форма сигнала была схожей

Цепи колебаний

Цепи этого типа создают период или колебательный сигнал, который используется для преобразования постоянного тока в переменный.

Многовибраторные схемы

Этот тип схемы используется в устройствах с двумя состояниями, таких как таймеры. Они генерируют импульсные сигналы и используют пассивные элементы, такие как резисторы и конденсаторы, для определения состояния выхода.

Цепи формирования волны

Схема этого типа используется для изменения формы волны, чтобы гарантировать, что напряжение не превысит заданную величину. Это не влияет на остальную часть сигнала.

Цепи обнаружения и демодуляции

Эти типы схем используются для извлечения исходного сигнала из модулированного сигнала. Они восстанавливают информацию или сообщение, которое было оставлено на несущей радиоволне в передатчике. Выходной сигнал может быть в виде аналогового звука, изображений или двоичных данных.

Типы транзисторов с биполярным переходом

Транзисторы с биполярным переходом состоят из «слоев». Эти уровни могут быть в конфигурации NPN или PNP. В слое NPN (отрицательный-положительный-отрицательный) транзистор «включается», когда ток протекает через базовый вывод. В качестве альтернативы, если BJT состоит из слоев PNP (положительный-отрицательный-положительный), транзистор будет включаться только тогда, когда через базу не протекает ток.

Как упоминалось выше, биполярные транзисторы также могут усиливать ток. В многоуровневой конфигурации NPN вы можете усилить ток, подав небольшой ток на положительно заряженную клемму (в данном случае на базовую клемму). Электроны, притянутые к полярности базовой клеммы, будут перемещаться от эмиттера к коллектору, который усиливает ток между двумя слоями N-типа.

Биполярные транзисторы: тогда и сейчас

Понимание того, как работают эти транзисторы, необходимо, если вы интересуетесь современной электроникой и хотите построить карьеру в этой области. Во многих отношениях мир технологий постоянно развивается. Когда все меняется с молниеносной скоростью, приятно осознавать, что компоненты, которые 70 лет назад предвещали век вычислительной техники и компьютеров, остаются жизненно важными компонентами и по сей день.

Если вы хотите узнать больше о транзисторах с биполярным переходом, вы можете рассмотреть возможность получения сертификата по обучению техника-электромеханика. Эта онлайн-программа может подготовить вас к захватывающей карьере в области электромеханических систем.

 

Биполярный транзистор — www.EESemi.com

Биполярный Транзистор изобретение транзистор с биполярным переходом в 1948 году Бардином, Браттейн и Шокли подготовили почву для последующего прибытия интегральная схема, которая произвела революцию в полупроводниковой промышленности. Биполярный транзистор это трехполюсный устройство, состоящее из 3 слои чередующиеся материалы n- и p-типа, называемые эмиттер, база, и коллекционер. Его структура в основном состоит из двух встречных диодов, один между эмиттером и базой, а другой между базой и коллекционер. Там Два типа биполярных транзисторов: в НПН и ПНП. В транзисторе NPN база состоит из материала p-типа. и заключен между эмиттером n-типа и коллектором n-типа. В PNP база n-типа, а эмиттер и коллектор относятся к p-типу. Рис. 1. Структура плоского вертикального биполярного NPN транзистор биполярный транзистор работает, давая большой ток коллектора при относительно небольшой ток нагнетается в его база. Поскольку Ib относительно намного меньше, чем Ic, небольшая вариация в Ib приводит к гораздо большему изменению Ic. Это, по сути, Текущий усиление, с текущим усилением, известным как бета транзистора. Токи, входящие и выходящие эмиттер, база и коллектор подчиняются действующему закону Кирхгофа: Ib=Ie-Ic. Так как Ic намного больше, чем Ib, то Ie очень близок по значению к Ic. Короче говоря, большой ток течет от эмиттера к коллектору. транзистора всякий раз, когда на базу поступает некоторый входной ток. Таким образом, транзистор очень полезен в качестве переключателя или усилитель. Как транзистор работает (и, следовательно, используется) во многом зависит от того, как он электрически стимулируется или пристрастный. Транзистор может работать в трех разных областях: насыщенность, отсечка, и активный. Говорят, что транзистор насыщенный, если как его база-коллектор, так и переход база-эмиттер смещен в прямом направлении. В этом режиме транзистор уже полностью «включен», т.е. ток коллектора уже очень большой и больше не увеличивается заметно, даже если в базу подается больший ток. Транзистор находится в отрезать область, если оба его соединения с обратным смещением. В этом режиме транзистор «закрыт», т. е. коллектор Текущий очень низкий. Транзистор, используемый в качестве ключа, работает попеременно между областями насыщения и отсечки. Транзистор в активной области демонстрирует изменение коллектора ток то есть пропорционально изменению тока базы. Таким образом, транзистор, используемый в качестве усилителя, работает в этот регион. Переход база-эмиттер транзистора в активной области смещен в прямом направлении, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении. См. также:  Что такое полупроводник?; p-n переход; Диод; МОП-транзистор; JFET; ИС Производство ДОМ Авторские права 2001-2006 гг. www.EESemi.com . Все права защищены.

Общие сведения о гетеропереходных биполярных транзисторах (HBT)

Радха Сетти, технический консультант, Mini-Circuits

Введение

До изобретения транзистора телефонные станции строились с использованием громоздких электронных ламп и механических реле. Перед инженерами Bell Labs была поставлена ​​задача разработать транзистор (сочетание «передаточный резистор») как меньшую и менее громоздкую альтернативу существующей технологии. Изобретение в 1947 ознаменовал начало полупроводниковой промышленности, навсегда изменившей мир. Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли будут удостоены Нобелевской премии по физике в 1957 году за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта. Транзисторы окажут глубокое влияние на быстрое развитие технологий от беспроводной связи к вычислениям и, в конечном счете, сформируют ландшафт информационного века. [1,2]

Самая ранняя версия устройства, которая должна была быть разработана и произведена, представляла собой однопереходный транзистор с использованием германия. Вскоре его заменил кремний, так как германий перестает работать при температуре выше 75°C [2], что делает его непрактичным для большинства применений. Постепенное улучшение характеристик, особенно рабочей частоты, побудило американского физика немецкого происхождения Герберта Кремера разработать теорию биполярного транзистора с гетеропереходом (HBT), в котором используются два или более различных полупроводниковых материала с разной шириной запрещенной зоны [3] для обеспечения работы на высоких частотах. Его работа принесла ему Нобелевскую премию в 2000 году [4]. Хотя теория была предложена еще в 1957 [4], производство HBT пришлось ждать до 1977 г., когда появилось оборудование, способное его производить; сначала с помощью MBE (молекулярно-лучевая эпитаксия), а затем с MOCVD (металлоорганическое химическое осаждение из паровой фазы) [5].

Следуя отраслевой тенденции к более широкому внедрению полупроводниковых технологий, Mini-Circuits представила широкополосные усилители MMIC серий MAR и MAV, в которых используется технология кремниевых гомопереходов, работающих на частоте до 2 ГГц. Удобство использования, выдающаяся производительность и низкая стоимость сделали эти устройства любимцами схемотехников. Но по мере того, как технология HBT стала доступной, были разработаны усилители серии ERA, использующие технологию HBT, сначала доведя рабочую частоту до 8 ГГц, а затем до 20 ГГц. Эти усилители не только увеличили рабочую частоту и обеспечили превосходный OIP3 (точка пересечения выходного сигнала третьего порядка), но и еще больше упростили использование. Большинство усилителей HBT имеют широкополосное согласование на кристалле и поэтому требуют минимального количества внешних компонентов. Кроме того, HBT обеспечивают превосходный шум 1/f по сравнению с устройствами pHEMT, и по этой причине они предпочтительны в некоторых приложениях, таких как усилители и генераторы.

В этой статье объясняется физика транзисторов с гомо- и гетеропереходом и обсуждаются преимущества конструкций усилителей HBT. Представлены результаты исследований надежности усилителей Mini-Circuits HBT, а также дана ссылка на полный портфель MMIC Mini-Circuits, разработанных с использованием технологии HBT. Настоятельно рекомендуется, чтобы читатели ознакомились с двумя предыдущими статьями этой серии по основам радиочастотных полупроводников [6] и технологии pHEMT [7], опубликованными в блоге Mini Circuits, чтобы получить наиболее полное представление об этой статье.

Transistor-Configurations

Прежде чем мы перейдем к преимуществам HBT по сравнению с транзисторами с гомопереходом, полезно рассмотреть основы транзисторов, символы и режимы работы.

Рис. 1. Транзисторы NPN и PNP.

Транзистор имеет три зоны; эмиттер, база и коллектор, и могут быть построены двумя разными способами, как NPN или PNP. NPN-транзистор имеет эмиттер, легированный N, базу, легированную P, за которой следует коллектор, легированный N, как показано на рисунке 1a) и представлено схематично на рисунке 1b). Неудивительно, что PNP-транзистор имеет эмиттер, легированный P, и базу, легированную N, за которой следует коллектор, легированный P, как показано на рисунке 1c) и схематично представлено на рисунке 1d). Направление стрелки на схемах 1b) и 1d) указывает на протекание тока, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении.

Переходы эмиттер-база и база-коллектор могут быть смещены в прямом или обратном направлении, что приводит к четырем возможным комбинациям и вариантам использования [8], как показано в таблице 1. В транзисторе NPN поток тока управляется электронами, имеющими большую подвижность, чем дырки, что приводит к более высокой рабочей частоте.

Излучатель-База	База-Коллектор	Mode
Forward Bias	Reverse Bias	Forward-Active
Reverse Bias	Reverse Bias	Cutoff
Forward Bias	Forward Bias	Насыщение
Обратное смещение	Прямое смещение	Обратно-активное

На рис. 2 показаны три возможные конфигурации NPN-транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Транзистор PNP также имеет аналогичную конфигурацию.

Рис. 2. Конфигурации смещения для NPN-транзистора.

В транзисторе эмиттер «испускает» электроны или дырки, которые «собираются» коллектором. Так что же такое база? Этим вопросом задаются многие начинающие и опытные инженеры. Уильям Шокли, один из изобретателей транзистора [9].] и лауреат Нобелевской премии описывает базу как «оригинальную структуру транзистора с точечным контактом, состоящую из пластины из германия n-типа и двух линейных контактов из золота, поддерживаемых пластиковым клином». Он продолжает: «Название «база», которое произошло от этой структуры, не имеет функционального значения, как «эмиттер» и «коллектор». См. Рисунок 3а для изображения исходного точечного транзистора и 3b) для его схематического изображения [9, 10].

Рис. 3. Оригинальный точечный транзистор.

В транзисторе в прямоходовом режиме малый ток базы управляет большим током коллектора, что приводит к усилению. Итак, у нас есть усилитель. В транзисторе NPN электроны из эмиттера попадают в базу путем диффузии, и их импульс переносит их к коллектору, где они собираются. Поскольку база относительно тонкая, в базе теряется очень мало электронов.

Обзор: Compound Semiconductors

По причинам, которые мы вскоре объясним, в HBT используются составные полупроводники. Давайте рассмотрим основы составных полупроводников.

В таблице 2 показан неполный список используемых элементов в центральной части периодической таблицы.

III	IV	V
Al	Si	P
Ga	Ge	As
In		Sb

Таблица 2: Центральная часть периодической таблицы [4].

Два или более дискретных элемента в Таблице 2 могут быть использованы для формирования составных полупроводников. В центре таблицы кремний (Si) и германий (Ge). Сплав Si и Ge, SiGe (пр. «SIGH-gee») используется в качестве одного из материалов в кремниевых ГБТ.

Согласно Крамеру [4], каждый элемент в столбце III может быть объединен с каждым элементом в столбце V с образованием так называемого соединения III-V. GaAs является одним из таких примеров. В HBT типичным примером является арсенид алюминия-галлия, AI _x Ga 9.0131 1-x As где x — доля позиций столбца III в кристалле, занятых атомами Al, а 1-x — атомами Ga. Следовательно, у нас есть не просто 12 отдельных соединений, а непрерывный ряд материалов в зависимости от концентрации каждого из них в кристаллической структуре. В результате становится возможным создавать гетероструктуры с плавным изменением состава, в которых состав изменяется непрерывно, а не скачкообразно по всей структуре устройства. Это было в центре внимания Нобелевской лекции Кремера об открытии HBT. См. Рисунок 4 для графического изображения некоторых соединений [7].

Рис. 4. Зависимость постоянной решетки от ширины запрещенной зоны различных полупроводниковых материалов.

Физика работы биполярного транзистора с гомо- и гетеропереходом (ГБТ)

Главный вопрос, который возникает сейчас: что такое ГБТ и как структуры гетероперехода улучшают работу транзистора? Диаграмма энергетических диапазонов может помочь ответить на этот вопрос. Учебное пособие по диаграммам энергетических диапазонов см. в предыдущей статье [6] в блоге Mini Circuits. На рисунке 5 показана диаграмма энергетических зон для HBT и NPN-транзисторов с гомопереходом в прямом активном режиме. Уровень вакуума не показан для простоты.

Электроны, инжектированные из эмиттера, преодолевают энергетический барьер qV _n путем диффузии и попадают в базу. В общем, ширина базы невелика, и поэтому большая часть электронов проходит через базу из-за своего импульса и собирается коллектором. Однако небольшое количество электронов теряется из-за рекомбинации в области обеднения эмиттер-база и в области базы.

Теперь рассмотрим отверстия в основании, которых больше всего. Они попадают в излучатель, преодолевая энергетический барьер qV _ph и qV _p в транзисторе с гомопереходом и гетеропереходом соответственно. Обратите внимание, что qV _p больше, чем qV _ph на ΔE _g , что является ключом к улучшению работы HBT, как мы увидим позже.

Рис. 5: Диаграмма энергетического диапазона, токи; биполярный транзистор с гомопереходом и гетеропереходом.

Различные токи в транзисторе, показанном на рисунке 5b), следующие:

I _n : ток электронов от эмиттера к базе

I _p : дырочный ток от базы к эмиттеру

I _s : ток, обусловленный рекомбинацией электронов/дырок в смещенном вперед слое объемного заряда эмиттер-база

I _r : ток, обусловленный объемной рекомбинацией в базе

I _E : ток излучения = I _N + I _P + I _S

I _C : Collector Current = I _N — I _R B B B B B B B B B B B . базовый ток = I _p + I _r + I _s

Пренебрегая I _CO , обратный ток коллектор-база, коэффициент усиления по току с общим эмиттером определяется:

Пренебрегая I _{r 2 и , максимально достижимое значение β равно [11]:}

Где:

N _e и P _b — уровни легирования эмиттера и базы соответственно.

   

v _nb и v _pe   — средние скорости электронов от эмиттера к базе и дырок от базы к эмиттеру соответственно, обычно 5 <   /  < 50.

k _b — постоянная Больцмана.

ΔE _g — разница ширины запрещенной зоны между эмиттерным и основным материалами.

T – температура в K.

В транзисторе с гомопереходом ΔE _g =0 и, следовательно, уравнение (2) упрощается до:

Следовательно, для получения высокого β _max (>100), эмиттер должен быть сильно легирован по сравнению с базой (N _e > P _b) .

Сильное легирование эмиттера расширяет более слабо легированную область истощения базы, что приводит к изменению ширины базы по сравнению с изменением напряжения база-эмиттер, что, в свою очередь, вызывает модуляцию ширины базы, снижение линейности и, в худшем случае, сквозное прохождение.

В хорошем HBT, таком как AlGaAs в качестве эмиттера и GaAs в качестве базы,

ΔE _г ≈ 0,2EV

при комнатной температуре K _B T = 0,025EV и ΔE _G / K _B T = 8.

Следовательно, ΔE _G / K _B T ΔE _G / K _B T ΔE _G / K _B T ΔE _G / K _B T ΔE _G / K _B T.E _G / K _B . типичный HBT, N _e / P _b ≈ 1/10. То есть база сильно легирована по сравнению с эмиттером, что сводит к минимуму модуляцию ширины базы.

Следовательно, β _max = 5 х 0,1 х 3000 ≈ 1500, что является огромным числом.

Следовательно, I _p = I _n / β _max = I _n /(1500), что пренебрежимо мало по сравнению с I _n и им можно пренебречь. Это большое преимущество в HBT, так как он максимизирует усиление по току.

Возвращаясь к уравнению (1), пренебрегая I _p ,

Хорошо спроектированный HBT имеет β около 100.

Рисунок 6: Типичное поперечное сечение HBT, толщина слоя и легирование [12].

Теперь рассмотрим практическую реализацию HBT на примере [12]. На рисунке 6 (а) показано типичное поперечное сечение HBT в его плоской реализации, а на рисунке 6 (b) — функция слоя, материал, толщина и легирование. В состав входят:

1. Полуизолирующий GaAs, на котором формируются эпитаксиальные слои.
2. Субколлектор GaAs N+, предназначенный для обеспечения интерфейса с высокой проводимостью между слаболегированным n-коллектором и металлом коллектора.
3. Основание P+GaAs, сильно легированное для уменьшения сопротивления базы, и малой глубины для уменьшения времени прохождения базы.
4. N-эмиттер, в котором эпислой AlGaAs образует гетеропереход с P+GaAs-базой (обратите внимание, что эмиттер слаболегирован по сравнению с базой).
5. Колпачок N+, предназначенный для обеспечения высокопроводящего интерфейса с эмиттером N и металлом эмиттера.

Максимальная частота колебаний этой конструкции (f _max ) составляет 200 ГГц [13]. Сравните это с усовершенствованными гомопереходными транзисторами с f _max 20 ГГц [5], улучшением в 10 раз. частота среза и f _max , максимальная частота колебаний используются в качестве показателей качества для HBT.

Коэффициент усиления по току с общим эмиттером/частота среза определяется как:

Где:

t _ee = время зарядки эмиттер-база, пропорциональное емкости эмиттер-база. В HBT это, как правило, низкое значение.

t _b = базовое время прохождения, также низкое в HBT из-за тонкого базового слоя.

t _c = время прохождения коллектора через обедненный слой, пропорциональное емкости коллектор-база. Это поддерживается на низком уровне благодаря низкому легированию коллектора.

t _куб.см = время прохождения коллектора.

Максимальная частота колебаний определяется как:

В котором указано, что более низкое сопротивление базы R _B и более низкая емкость коллектора по отношению к базе C _BC увеличивает максимальную частоту колебаний.

Разработчики Epi оптимизируют все эти параметры для достижения желаемой производительности.

Вкратце:

1. В HBT используется эмиттерный полупроводниковый материал с более широкой запрещенной зоной по сравнению с базой.
2. В HBT используется более сильное легирование базы, чем в транзисторах с гомопереходом, что приводит к уменьшению сопротивления базы.
3. Гетеропереход эмиттер-база обеспечивает высокий энергетический барьер для инжекции дырок и более низкий энергетический барьер для инжекции электронов, что обеспечивает высокую эффективность инжекции эмиттера.
4. Легирование нижнего эмиттера приводит к незначительному накоплению неосновных носителей, что снижает емкость база-эмиттер и позволяет работать на более высоких частотах.
5. Высокая подвижность электронов и меньшее время прохождения электронов из-за более тонкой основы обеспечивают работу на более высоких частотах.
6. Полуизолирующие подложки помогают снизить паразитные характеристики прокладок и обеспечивают удобную интеграцию устройств.

Технология HBT дополняет pHEMT для более высокой частоты операций, но имеет несколько явных преимуществ, как показано ниже:

Преимущества HBT по сравнению с pHEMT [5].

HBT	pHEMT
Скорость электронов определяется тонкими вертикальными слоями, реализуемыми путем эпитаксиального роста, что позволяет работать в диапазоне миллиметровых волн. Достаточно литографии размером 1-3 мкм.	Требуется литография от 0,2 до 0,5 мкм для аналогичной частоты операций, что делает ее более дорогой.
Уменьшенный эффект захвата и меньший шум 1/f являются результатом потока носителей в основном через активные переходы, изолированные от поверхностей и подложки, и сравнимы с кремниевыми транзисторами с гомопереходом.	В полевых транзисторах носители перемещаются между поверхностями и границами раздела активный канал-подложка, испытывая больший эффект захвата.

Шум

Шум — это нежелательные колебания тока, проходящего через полупроводниковые материалы или устройства, или напряжения, возникающие в них [13]. Поскольку нежелательный шум накладывается на полезный сигнал, это ухудшает отношение сигнал/шум.

Мерцающий шум обратно пропорционален частоте и обычно называется шумом 1/f, который увеличивается с уменьшением частоты. Поэтому очень важно при малых частотах смещения от несущей частоты. Фликер-шум является функцией поверхностных дефектов. В HBT ток течет перпендикулярно поверхности (см. рис. 7a), поэтому вклад шума 1/f минимален. Сравните это с pHEMT, где ток течет по поверхности (см. рис. 7b), поэтому шум 1/f обычно выше в pHEMT, чем в HBT.

Рисунок 7: Направление тока в HBT и pHEMT.

Измеренные аддитивные фазовые и амплитудные шумы усилителей HBT (ГАЛИ-39+, ЭРА-39+) и усилителя pHEMT (PSA-545+) показаны на рис. 8.

Рис. 8: Аддитивные фазовые и амплитудные шумы усилителей HBT и pHEMT.

На рис. 8 четко показаны превосходные характеристики усилителей HBT, выбранных для требовательных приложений усилителей и генераторов.

Надежность

Mini-Circuits проводит HTOL (испытания на срок службы при высоких температурах) своих моделей усилителей на основе HBT, чтобы продемонстрировать надежность и рассчитать среднее время наработки на отказ (MTTF). Далее следует пример.

Модель GVA-81+ подвергается HTOL в течение 5000 часов при температуре перехода 148℃ на 80 образцах. Расчетное значение MTTF, основанное на этих тестах, показано на рис. 9.

Рис. 9: MTTF в зависимости от температуры перехода для MMIC-усилителя на основе GVA-81+ HBT.

Обратите внимание, что при максимальной рабочей температуре и номинальном токе Tj составляет 121℃. Из рисунка 7 при 121℃ среднее время безотказной работы составляет 3,6 x 10 9 .0071 6 часа (или 415 лет) при достоверности 90%. Это чрезвычайно надежно.

Детали Mini-Circuits спроектированы с учетом высокой надежности в соответствии с конструктивными требованиями. Конструкторы принимают во внимание тепловые аспекты и ориентируются на Tj ниже 130 ℃ при самой высокой температуре окружающей среды. Это подтверждается с помощью тепловидения, а надежность подтверждается с помощью HTOL (примечание 1). Если эти условия не выполняются, продукт перерабатывается.

Выводы

Технология HBT совершенствовалась на протяжении многих лет, что привело к созданию высоконадежных усилителей СВЧ и миллиметрового диапазона с превосходными характеристиками в широкополосном диапазоне до 20 ГГц. Шумовые характеристики 1/f HBT сравнимы с характеристиками кремниевых транзисторов, поэтому они предпочтительнее в критических усилителях. Mini-Circuits предлагает широкий ассортимент усилителей HBT, доступных в различных пластиковых и керамических корпусах.

Ссылки

1. Нобелевская премия по физике 1956 г. – Джон Бардин, Уолтер Х. Браттейн и Уильям Шокли – Nokia Bell Labs (bell-labs.com)
2. Майкл Гордон, «Утраченная история транзистора», стр. 44-49, IEEE Спектр, май 2004 г.
3. Кремер Х., «Теория широкозонного эмиттера для транзисторов», Proc of IRE, Vol 45, no. 11, PP 1535-1537, ноябрь 1957 г.
4. Герберт Кремер — Нобелевская лекция: квазиэлектрические поля и смещения зон: обучение электронов новым приемам (nobelprize.org)
5. Фазал Али и Адитья Гупта, «HEMT и HBT: устройства, изготовление и схемы», Artech House, 1991 г. Псевдоморфный транзистор с высокой подвижностью электронов (pHEMT) — блог мини-схем (minicircuits.com)
6. Джейкоб Милман и Арвин Грабель, «Микроэлектроника» McGraw-Hill International, 1988
7. Уильям Шокли, «Путь к концепции транзистора-переходника» ”, PP1523-1546, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ЭД-31, №11, 19 ноября84
8. https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/bardeen-lecture.pdf
9. Кремер, Х., «Гетероструктурные биполярные транзисторы и интегральные схемы», P13-25, Proc of IEEE, Vol. 70, № 1, январь 1982 г.
10. P.M.Asbeck et. др. «Биполярные транзисторы с гетеропереходом для интегральных схем микроволнового и миллиметрового диапазона» PP1462-1470, IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, Vol. МТТ35, № 12, декабрь 1987 г.
11. С.М.Ше и др., «Физика полупроводниковых приборов», Wiley, 2021
12. M.E.Kim et.al, «Устройство на биполярных транзисторах с гетеропереходом GaAs и технология интегральных схем для высокопроизводительных аналоговых и микроволновых приложений», PP1286-1303, IEEE Transactions On Microwave Theory and Techniques, Vol. 37. № 9. Сентябрь 1989 г.
13. KROEMER H., «Гетероструктурные биполярные транзисторы и интегральные схемы», Proc IEEE, Vol 70, No1, PP 13-25
14. https://www.nobelprize.org/uploads/2018 /06/shockley-lecture.