Біполярний транзистор — Вікіпедія

	PNP
	NPN

Схематичні позначення
транзисторів типів PNP та NPN

Біполярний транзистор — напівпровідниковий прилад, елемент електронних схем. Має три електроди — емітер, базу і колектор, — один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем носіїв заряду, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори типів NPN та PNP. В транзисторі типу NPN емітер і колектор легуються донорами, а база — акцепторами. В транзисторі типу PNP — навпаки.

Біполярні транзистори використовуються в підсилювачах, генераторах, перетворювачах сигналу, логічних схемах.

Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під керівництвом Шоклі із Bell Labs, за що отримали Нобелівську премію з фізики. Вперше його продемонстрували 16 грудня, а 23 грудня відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистора^[1].

Поперечний розріз транзистора

На рисунку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора типу NPN. Колектором служить напівпровідник n-типу, легований донорами до невисокої концентрації 10

13−10¹⁵ см⁻³. Перед створенням бази напівпровідник покривають фоторезистом і за допомогою літографії звільняють вікно для легування акцепторами. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією — 10¹⁷−10¹⁸ см⁻³. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері й у базі повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик можна досягти, якщо перехід між базою й емітером зробити гетеропереходом, у якому емітер має набагато більшу ширину забороненої зони, хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

Дія біполярного транзистора базується на використанні двох p-n-переходів між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n-переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n-перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

Характеристики біполярних транзисторів поділяються на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.

Класифікація та маркування[ред. | ред. код]

Класифікація[ред. | ред. код]

Транзистори класифікуються^[2] за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві та кремнієві. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх та високих частот, за потужністю — на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності — на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

Маркування[ред. | ред. код]

Позначення типу транзистора встановлено галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. Перший елемент позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його сполуки — Г, кремній або його сполуки — К, сполуки галію — А.

Другий елемент — підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є літера Т. Третій елемент — призначення приладу (таблиця). Четвертий елемент — число від 01 до 99, що позначає порядковий номер розробки типу приладу. Допускається тризначний номер — від 101 до 999, якщо номер розробки перевищує 99. П’ятий елемент позначення — літера російського алфавіту, що визначає класифікацію за параметрами приладів, виготовлених за єдиними технологіями.

Третій елемент позначення транзисторів

Підклас транзисторів	Позначення
Транзистори малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3 Вт): з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не більше 30 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц	1 2 3
Транзистори середньої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 0,3 Вт, але не більше 1,5 Вт): з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц	4 5 6
Транзистори великої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 1,5 Вт): з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц	7 8 9

Режими роботи транзистора[ред. | ред. код]

Загальні відомості[ред. | ред. код]

В залежності від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи^[3]. Оскільки в транзисторі є 2 переходи (емітерний та колекторний), і кожен із них може знаходитись в двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний — в закритому. Транзистори, які працюють в активному режимі, використовуються в схемах підсилення. Окрім активного виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний — відкритий, режим насичення, при якому обидва переходи відкриті, та режим відсічки, при якому переходи закриті.

Першою практичною математичною моделлю біполярного транзистора була модель Еберса—Молла.

Активний режим[ред. | ред. код]

Активному режиму роботи транзистора відповідає відкритий стан емітерного переходу і закритий колекторний перехід. В цьому режимі переходи транзистора мають різну ширину: закритий колекторний перехід значно ширший ніж відкритий емітерний перехід. Окрім наскрізного потоку електронів, в структурі в активному режимі протікає інший потік, а саме, зустрічний потік дірок, що рухаються із бази в емітер. Два зустрічних потоки (дірок та електронів) відображають ефект рекомбінації в базі. Електронний потік створюється електронами, які рухаються із емітера, однак не доходять до колекторного переходу (як електрони, що створюють наскрізний потік), а рекомбінують із дірками в базі. Дірковий потік створюється дірками, що надходять із зовнішнього кола в базу для компенсації втрати дірок внаслідок рекомбінації з електронами. Вказані потоки створюють в зовнішніх колах емітера і бази додаткові складові струмів. На рисунку також показані потоки неосновних носіїв заряду, що створюють власний тепловий струм колекторного переходу (потік електронів, що рухаються із бази в колектор, та потік дірок з колектора в базу).

Наскрізний потік є єдиним корисним потоком носіїв в транзисторі, оскільки визначає можливість підсилення електричних сигналів. Всі інші потоки не беруть участі в підсиленні сигналу, і тому є побічними. Для того щоб транзистор мав високий коефіцієнт підсилення, необхідно щоб побічні потоки були якомога слабші в порівнянні з корисним наскрізним потоком.

Інверсний режим[ред. | ред. код]

Інверсний (інверсний активний) режим роботи біполярного транзистора аналогічний активному режиму з відмінністю лише в тому, що в цьому режимі у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, а в закритому — емітерний.

Режим насичення[ред. | ред. код]

В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться у відкритому стані. В цьому режимі електрони і з емітера, і з колектора рухаються в базу, внаслідок чого в структурі протікають два зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний та інверсний).

Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера та колектора. Внаслідок подвійного насичення бази, в ній накопичуються надлишкові електрони, внаслідок чого посилюється їх рекомбінація з дірками і рекомбінований струм бази є набагато вищим, ніж в активному чи інверсному режимах.

У зв’язку із насиченням бази транзистора і його переходів надлишковими носіями зарядів, опір останніх стає дуже маленьким. Тому електричні кола, що містять транзистор в режимі насичення можна вважати короткозамкненими.

Режим відсічки[ред. | ред. код]

В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться у закритому стані. Наскрізні потоки електронів в цьому режимі відсутні. Через переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють малі некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в режимі відсічки збіднені рухомими носіями заряду, внаслідок чого їх опір є дуже високим. Тому вважають, що транзистор в режимі відсічки розриває електричне коло. Режим насичення та відсічки використовуються при роботі транзистора в імпульсних схемах.

Транзистор як активний елемент може бути представлений як чотириполюсник з двома вхідними та двома вихідними полюсами. Зважаючи, що у транзистора три виводи, один з них має бути спільним для вхідного і вихідного сигналу. Під вхідними (вихідними) полюсами розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) напруга. Схеми включення отримали назви: схема зі спільним емітером (СЕ), схема зі спільною базою (СБ) і схема зі спільним колектором (СК).

Схеми підключення транзистора характеризується наступними основними показниками:

• коефіцієнт підсилення по струму n=dI_вих/dI_вх
• коефіцієнт підсилення по напрузі n=dU_вих/dU_вх
• вхідний опір R_вх=dU_вх/dI_вх
• вихідний опір R_вх=dU_вих/dI_вих

Схема зі спільним емітером[ред. | ред. код]

Підсилювальний каскад за схемою підключення транзистора зі спільним емітером на основі npn-транзистора

Схему зі спільним емітером інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:

Iвих=Iк{\displaystyle I_{\text{вих}}=I_{\text{к}}}

Iвх=Iб{\displaystyle I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}}

Uвх=Uбе{\displaystyle U_{\text{вх}}=U_{\text{бе}}}

Uвих=Uке{\displaystyle U_{\text{вих}}=U_{\text{ке}}}

Переваги:

Недоліки

• Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні з іншими схемами.

Схема зі спільною базою[ред. | ред. код]

Підсилювальний каскад за схемою зі спільною базою на основі npn-транзистора

Схема зі спільною базою не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_е=α [α<1]
• Вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_е.

Вхідний опір для схеми зі спільною базою малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

Переваги:

• Гарні температурні та частотні властивості
• Висока допустима напруга

Недоліки

• Підсилення по струму близьке до 1, оскільки α < 1
• Малий вхідний опір
• Два різні джерела напруги для живлення

Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач)[ред. | ред. код]

Емітерний повторювач на основі npn-транзистора

Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач) не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини: Вихідні дані

Iвих=Iе{\displaystyle I_{\text{вих}}=I_{\text{е}}}

Iвх=Iб{\displaystyle I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}}

Uвх=Uбк{\displaystyle U_{\text{вх}}=U_{\text{бк}}}

Uвих=Uке{\displaystyle U_{\text{вих}}=U_{\text{ке}}}

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_е/I_б=I_е/(I_е-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Вхідний опір: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бе+U_ке)/I_б

Переваги

• Великий вхідний опір
• Малий вихідний опір

Недоліки

• Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1

Власні шуми в транзисторах[ред. | ред. код]

Джерелами шумів в транзисторі є:

• електронно-діркові переходи;
• активні складові областей бази, емітера і колектора;
• випадкові перерозподіли струму між колектором і базою;
• неоднорідності напівпровідникового матеріалу.

Відповідно до теорії шумових властивостей транзисторів, основну роль в транзисторах грають: флікер-шум, дробовий, теплові шуми, шуми поділу, тощо. Розглянемо ці шуми більш детальніше, припускаючи, що транзистор працює в режимі малого сигналу.

У транзисторах флікер-шум спостерігається на низьких частотах (менше 1 кГц). Спектральна щільність потужності цього шуму пропорційна 1/f{\displaystyle 1/f}, де f{\displaystyle f} — частота. Джерелом низькочастотних шумів в транзисторі є носії електричного заряду в середині р-n-переходу і на його поверхні під дією температури, прикладеного електричного поля, а також в результаті зіткнення нейтральних атомів напівпровідника або домішок з керованим потоком основних носіїв заряду. Кількість носіїв, збуджених за даний проміжок часу, є випадковою, а створений ними струм — флуктуаційним. Коефіцієнт шуму може бути визначений за формулою:

Kш=Uш2U2{\displaystyle K_{\text{ш}}={\frac {U_{\text{ш}}^{2}}{U^{2}}}}

де U{\displaystyle U} — напруга джерела сигналу, підключеного до входу транзистора; Так як площа колекторного переходу зазвичай набагато більше площі емітерного переходу, низькочастотний шум в основному проявляється в колекторному переході Зазвичай флікер-шум виникає в результаті погано оброблених поверхонь кристала і в місцях омічних контактів виводів і кристала. При шліфуванні кристал має менший флікер-шум ніж при травленні його поверхні. Для зниження цього шуму необхідно зменшити щільність струму на одиницю поверхні, використовувати планарні транзистори і транзистори з високим ступенем технологічної обробки поверхні. Крім того, в схемах підсилювачів доцільно використовувати транзистори р-n-р типу, що мають менший рівень низькочастотного шуму, ніж транзистори n-р-n-типу. У ряді випадків спеціальні вимірювання флікер-шуму на частоті f{\displaystyle f} = 1 кГц і нижче дозволяють прогнозувати надійність транзисторів і визначати ряд дефектів в них: погані контакти, тріщини, тощо. Тепловий шум транзистора викликаний хаотичним рухом носіїв в середині напівпровідника. Цей шум, на відміну від надлишкового шуму, існує навіть за відсутності електричного струму. На середніх і високих частотах основними джерелами шуму в транзисторі є дробові шуми в емітерному та колекторному переходах, тепловий шум опору бази і шуми струмо-розподілу, пов’язані з випадковим характером розподілу емітерного струму між колектором і базою.

Коефіцієнт шуму залежить також від опору джерела сигналу, при цьому існує оптимальний опір і оптимальне значення струму емітера.

Умови, за яких коефіцієнт шуму має мінімальне значення, можуть не збігатися з умовами отримання максимального коефіцієнта посилення. Для зниження дробових шумів рекомендується використовувати транзистори з малим зворотним струмом, а також працювати при порівняно невисоких температурах і невеликих струмах емітера.

Випадковий характер процесів рекомбінації носіїв в області бази транзистора є причиною появи шуму пов’язаного з перерозподілом струму емітера. Існують й інші типи шумів в транзисторах — це шуми опромінення, що виникають при опроміненні транзистора швидкими частинками, шуми лавинного пробою, що виникають при високому, близькому до пробивного рівню зворотної напруги на переході, вибухові шуми і тощо. Однак в транзисторі основними шумами є надлишкові — тепловий, дробовий і шуми поділу.

Тема 2.3. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

Якщо вимикач SA1 розімкнути, а вимикач SA2, SA3 замкнути, то в колекторному колі протікатиме незначний струм, викликаний впорядкованим рухом неосновних носіїв-електронів бази і дірок колектора. Коло струму: + E1, mA3, колектор, база, mA2,SA2, SA3, — E2.

При замиканні всіх трьох ключів SA1, SA2, SA3 потенціальний бар’єр ЕП зменшується, а КП – збільшується.

Струм, що проходить через ЕП, отримав назву емітерного струму (IE). Цей струм рівний сумі електронної і діркової складових:

IE=IEn+IEp (1)

В транзисторах, концентрація носіїв заряду в базі значно менша ніж в емітері. Це приводить до того, що число електронів, інжектованих з емітера в базу в багато разів перевищує число дірок, які рухаються в протилежному напрямку. Відповідно майже весь струм через емітерний p-n перехід обумовлений електронами. Ефективність емітера оцінюється коефіціентом інжекції , який для

γ =	=	=
транзисторів типу n-p-n дорівнює відношенню електронної складової емітерного
струму до загального струму емітера:
				(2)
В сучасних транзисторах коефіціент		мало відрізняється від одиниці

( = 0,999).

Внаслідок процесу інжекції з емітора в базу поступає великий потік електронів, а тому біля емітерного переходу накопичується велика кількість електронів, біля колекторного переходу їх майже немає. Так формується великий градієнт концентрації неосновних носіїв у базовій ділянці. В базі створюється дифузійний потік електронів від ЕП , де їх надлишок, до КП і далі в колектор. Електричне поле об’ємного заряду колекторного переходу сприяє переміщенню (екстракції) електронів через цей перехід і вони потрапляють у прискорювальне поле зовнішнього джерела е.р.с. Е2, створюючи струм колектора. Коло колекторного струму: +E2, mA2, колектор, база,mA2, SA2, SA2, SA3, -E2.

Майже всі електрони, що інжектували в базу, досягають колектора. Це стає можливим тільки за умови досить малої товщини бази та невеликої концентрації дірок у ній. Лише незначна частина електронів рекомбінує в базі з дірками, що викликає струм у базі IБ. Цей струм є небажаним і навіть шкідливим.

Приймаючи до уваги степінь рекомбінації електронів з дірками в області бази,

можна приймати струм колектора IК приблизно рівним струму емітера:

≈

Ті електрони, які рекомбінують в області бази з дірками, приймають участь в створенні струму бази IБ, який протікає у колі: + E1, SA1, SA2, mA2, база, емітер, mA1, -E1. Значить струм бази дорівнює різниці струмів емітера і колектора:

IБ=IE — IК (4)

Режими роботи біполярного транзистора.

В залежності від полярності напруг, що прикладені до емітерного і колекторного переходів транзистора, розрізняють такі режими його роботи:

Активний режим. На емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний – зворотна. Цей режим є основним режимом роботи транзистора. Внаслідок того, що напруга в колі колектора значно перевищує напругу, підведену до емітерного переходу, а струми в колах емітера і колектора практично рівні, потужність сигналу в колекторному (вихідному) колі може значно перевищувати потужність у емітерному (вхідному) колі. Ця обставина визначає підсилювальні властивості транзистора.

Режим відсікання. До обох переходів підведені зворотні напруги. Тому через них проходить лише незначний струм, зумовлений рухом неосновних носіїв заряду (дрейфовий струм). Практично транзистор в режимі відсікання виявляється закритим.

Режим насичення. Особливе місце в роботі транзистора займає режим подвійної інжекції, або, не зовсім точно, режим насичення. Режим подвійної інжекції характерний тим, що на обох переходах – емітерному та колекторному – діють прямі напруги. При цьому і емітер і колектор інжектують носії в базу назустріч один одному та одночасно кожен із них збирає носії, що дійшли від іншого. Струм у вихідному колі транзистора максимальний і практично не регулюється струмом вхідного кола. В цьому режимі транзистор повністю відкритий.

Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного – пряма. Отже емітер виконує функції колектора, а колектор – емітера. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.

Передача струму при інверсному включенні значно гірша ніж при нормальному. Причини цього такі. По-перше, у зв’язку із слабким легуванням колектора мала електронна складова колекторного струму. По-друге, площа реального колектора значно більше площі емітера. Тому на емітер попаде лише невелика частка електронів, інжектованих колектором.

Транзистор в режимі ключа. Важливими елементами сучасних схем автоматики і обчислювальної техніки є пристрої, які мають можливість знаходитись в одному з двох стійких станів (режимів) і під дією вхідного сигналу стрімко змінювати свій стан (режим). Це дозволяє здійснювати перемикання (комутацію) різних електричних кіл схеми.

Таким елементом є тунельний діод, і його робота в перемикаючій схемі була розглянута в лекції 15.

Транзистор також є одним з найрозповсюдженіших елементом безконтактних перемикаючих пристроїв. Режим роботи транзистора в перемикаючій схемі називають ключовим режимом. В цьому режимі транзистор в процесі роботи схеми періодично переходить з відкритого стану (режиму насичення) в закритий (режим відсікання) і навпаки, що відповідає двом стійким станам перемикаючого пристрою.

Способи включення та характеристики схем включення.

При нормальному включенні n–р–n–транзистора (в активному режимі) на емітерному переході діє пряма напруга, а на колекторному – зворотна. При цьому електрони інжектуються із емітера в базу, проходять її майже без рекомбінації (ширина бази мала), без перешкоди попадають в колектор, що знаходиться під додатним потенціалом. Отже, при нормальному включенні колектор збирає неосновні (в базі) носії, що надійшли в базу, чим і пояснюється його назва (збирач). Ясно, що при вказаній полярності напруги, колектор здатний збирати тільки електрони. Тому важливо, щоб струм емітера утримував в основному електронну складову. Через це емітер легують значно сильніше, ніж базу, з тим, щоб емітерний перехід був одностороннім.

При нормальному включенні транзистора струми колектора та емітера майже однакові з точністю до незначного струму бази. Останній компенсує зменшення основних носіїв (дірок) в результаті рекомбінації, котра має місце навіть при дуже малій товщині бази, а також у результаті інжекції дірок із бази в емітер.

Опір зворотно зміщеного колекторного переходу дуже великий – декілька мегомів і більше. Тому в коло колектора є можливість включати досить великі опори навантаження, не змінюючи величину колекторного струму. Відповідно, в колі навантаження може виділятися значна потужність.

Опір прямо зміщеного емітерного переходу досить малий. Тому при майже однакових струмах емітера та колектора потужність. що споживається в колі емітера, буде набагато меншою, ніж потужність що виділяється в колі навантаження. Таким чином транзистор здатний підсилювати потужність, тобто є підсилювальним приладом.

В практичних схемах транзистор використовують як чотириполюсник, тобто прилад з двома вхідними і двома вихідними клемами і, оскільки транзистор має тільки три виводи (емітер, база, колектор), один з виводів транзистора приєднують спільно для вхідного і вихідного кола. Отже, розрізняють схеми включення зі спільною базою (а), спільним емітером (б) і спільним колектором (в).

До цього часу ми задавали напругу на емітері та колекторі відносно бази. Таке включення транзистора називають включенням зі спільною базою (рис (а)) або схемою зі спільною базою та позначать СБ.

На рис. (а) показана схема із спільною базою, яка відмінна від схеми, розглянутої в п. «Устрій та принцип дії транзистора» (рис. а, б) тим, що у вхідному (емітерному) колі послідовно з джерелом живлення Е₁ (на рис. а – U_БЕ) включено джерело вхідного сигналу, яке виробляє деяку змінну напругу U_вх , а у вихідне (колекторне) коло послідовно з джерелом живлення Е₂ (на рис. а – U_КБ) включений опір навантаження R_н, на якому при проходженні колекторного струму І_К утворюється падіння напруги. Решта напруги – між колектором і базою U_вих розглядається як вихідний сигнал. Через джерело вхідного сигналу проходить струм емітера І_Е, який називають вхідним струмом. Отже для схеми із спільною базою І_вх = І_Е. Вихідний струм в цій схемі є струм колектора (І_вих = І_К).

Якщо під дією U_вх струм емітера збільшиться на деяку величину І_Е, то відповідно збільшується і інші струми транзистора:

І_Е + І_Е = І_К + І_К + І_Б + І_Б

Незалежно від схеми включення транзистори характеризуються диференціальним коефіцієнтом прямої передачі струму, який уявляє собою відношення зміни вихідного струму до приросту вхідного струму, що цю зміну викликав при постійній напрузі у вихідному колі. Для схеми із спільною базою таким коефіцієнтом може слугувати коефіцієнт передачі струму емітера:

 = І_вих / І_вх = І_К / І_Е при Е₂ = const.

Оскільки струм емітера – найбільший із всіх струмів транзистора, то схема зі спільною базою має малий вхідний опір для змінної складової вхідного сигналу. Фактично цей опір дорівнює опору емітерного переходу r_Е, включеного в прямому напрямку, тобто

R_вх = U_вх / І_вх = U_вх / І_Е  r_Е.

Низький вхідний опір схеми із спільною базою (кілька ом) є її суттєвим недоліком, оскільки шунтує вихідне коло попередньої схеми.

Отже:

Коефіцієнт підсилення транзистора в схемі зі спільною базою за струмом для активного навантаження приблизно збігається з коефіцієнтом передачі струму

К_І  І_К / І_Е   = 0,95  0,99 (U_КБ = const).

Коефіцієнт підсилення за напругою визначається за формулою

К_U = U_вих / U_вх  (І_К ·R_н) / (І_Е ·R_вх) = (І_Е /І_Е)(R_н/ r_Е) = R_н/ r_Е

Наприклад, якщо r_Е = 100 Ом, R_н= 10³ Ом,  = 0,95, то К_U =0,9510³/100 = 9,5.

Коефіцієнт підсилення за потужністю:

К_П = Р_вих/ Р_вх = (І_К²R_н) /(І_Е² R_вх) = К_І К_U = ²R_н/ r_Е  0,910  9.

Схема СБ дозволяє добре розкрити фізику транзистора та має інші особливості. Але той факт, що вона не забезпечує підсилення струму та має малий вхідний опір (опір емітерного переходу) робить її не оптимальною для більшості використань. Тому головну роль у транзисторній техніці виконує інше включення – зі спільним емітером, яке позначається СЕ (рис б).

Для схеми зі спільним емітером характерна задана величина струму бази. Отже, вхідний сигнал прикладається до емітера і бази. Джерело живлення колектора Е₂ включене між емітером і колектором. Емітер є спільним для вхідного і вихідного кіл.

Особливістю схеми із спільним емітером є те, що вхідним струмом є незначний по відношенню до інших струм бази. Вихідним струмом в цій схемі, як і в схемі із спільною базою, є струм колектора. Отже, коефіцієнт прямої передачі струму для схеми із спільним емітером –  = І_вих / І_вх = І_К / І_Б, тобто в схемі із спільним емітером можна отримати коефіцієнт прямої передачі струму в кілька десятків.

Вхідний опір транзистора в схемі із спільним емітером значно більший, ніж в схемі із спільною базою, оскільки:

R_вх = U_вх / І_вх = U_вх / І_Б >> U_вх / І_Е.

Коефіцієнту підсилення транзистора із спільним емітером за струмом для активного навантаження відповідає коефіцієнт передачі струму бази:

К_І  І_К / І_Б = І_К / (І_Е – І_Б)   / (1 – )   >> 1

і на відміну від схеми зі спільною базою транзистор в схемі зі спільним емітером забезпечує підсилення за струмом.

Коефіцієнт підсилення за напругою:

К_U = U_вих / U_вх = U_КЕ/ | U_ЕБ |  R_н/ r_Е,

тобто як і в схемі зі спільною базою, транзистор в схемі зі спільним емітером підсилює сигнал і за напругою.

Коефіцієнт підсилення за потужністю дорівнює добутку коефіцієнтів:

К_П = К_І К_U = ²R_н/ r_Е.

Вхідний опір визначається формулою

R_вх = U_ЕБ / І_Б = І_Е r_Е / І_Б   r_Е.

Схема із спільним колектором (СК) (рис. в) ще називається емітерний повторювач. Вхідним є коло база–колектор, вихідним – коло колектор–емітер; спільним електродом є колектор, безпосередньо до нього приєднаний позитивна клемам джерела Е₂. Навантаження приєднано до емітера. По колектору проходить струм І_К = І_Е – І_Б.

Коефіцієнт прямої передачі струму майже такий як і в схемі із спільним емітером:

К_І  І_Е / І_Б = І_Е / (І_Е – І_К) = І_Е / (І_Е –  І_Е) =  / (1 – ) =  + 1  .

Особливість схеми з СК полягає в тому, що коефіцієнт підсилення за напругою К_U завжди менший одиниці, оскільки вихідна напруга U_вих в цій схемі практично складає частину вхідної.

Інша особливість полягає в тому, що вихідний сигнал співпадає за фазою з вхідним (звідси назва схеми – емітерний повторювач). На відміну від схеми СК в схемі СЕ вихідний сигнал протилежний за фазою із вхідним сигналом (є його дзеркальною пропорційною копією).

Транзистор в схемі з СК зручно застосовувати як узгоджуючий елемент, що включається в пристроях між високоомним попереднім колом і низькоомним навантаженням.

Відмінними властивостями схеми з СК вважається високий вхідний опір (до 100 кОм) і невеликий вихідний опір (менше 100 Ом), а також однакова фаза вихідного сигналу по відношенню до вхідного.

Біполярний транзистор — Gpedia, Your Encyclopedia

	PNP
	NPN

Схематичні позначення
транзисторів типів PNP та NPN

Біполярний транзистор — напівпровідниковий прилад, елемент електронних схем. Має три електроди — емітер, базу і колектор, — один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем носіїв заряду, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори типів NPN та PNP. В транзисторі типу NPN емітер і колектор легуються донорами, а база — акцепторами. В транзисторі типу PNP — навпаки.

Біполярні транзистори використовуються в підсилювачах, генераторах, перетворювачах сигналу, логічних схемах.

Історія винаходу

Біполярний транзистор винайшли в 1947 році Джон Бардін і Волтер Браттейн під керівництвом Шоклі із Bell Labs, за що отримали Нобелівську премію з фізики. Вперше його продемонстрували 16 грудня, а 23 грудня відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистора^[1].

Будова

Поперечний розріз транзистора

На рисунку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора типу NPN. Колектором служить напівпровідник n-типу, легований донорами до невисокої концентрації 10¹³−10¹⁵ см⁻³. Перед створенням бази напівпровідник покривають фоторезистом і за допомогою літографії звільняють вікно для легування акцепторами. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією — 10¹⁷−10¹⁸ см⁻³. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері й у базі повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик можна досягти, якщо перехід між базою й емітером зробити гетеропереходом, у якому емітер має набагато більшу ширину забороненої зони, хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

Принцип дії

Дія біполярного транзистора базується на використанні двох p-n-переходів між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n-переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n-перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

Характеристики біполярних транзисторів поділяються на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.

Класифікація та маркування

Класифікація

Транзистори класифікуються^[2] за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: германієві та кремнієві. За діапазоном робочих частот їх ділять на транзистори низьких, середніх та високих частот, за потужністю — на класи транзисторів малої, середньої та великої потужності. Транзистори малої потужності ділять на шість груп: підсилювачі низьких і високих частот, малошумні підсилювачі, перемикачі насичені, ненасичені та малого струму; транзистори великої потужності — на три групи: підсилювачі, генератори, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.

Маркування

Позначення типу транзистора встановлено галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. Перший елемент позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його сполуки — Г, кремній або його сполуки — К, сполуки галію — А. Другий елемент — підклас напівпровідникового приладу. Для біполярних транзисторів другим елементом є літера Т. Третій елемент — призначення приладу (таблиця). Четвертий елемент — число від 01 до 99, що позначає порядковий номер розробки типу приладу. Допускається тризначний номер — від 101 до 999, якщо номер розробки перевищує 99. П’ятий елемент позначення — літера російського алфавіту, що визначає класифікацію за параметрами приладів, виготовлених за єдиними технологіями.

Третій елемент позначення транзисторів

Підклас транзисторів	Позначення
Транзистори малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3 Вт): з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не більше 30 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц	1 2 3
Транзистори середньої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 0,3 Вт, але не більше 1,5 Вт): з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц	4 5 6
Транзистори великої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором понад 1,5 Вт): з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 3 МГц, але не перевищує 30 МГц з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою понад 30 МГц	7 8 9

Режими роботи транзистора

Загальні відомості

В залежності від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи^[3]. Оскільки в транзисторі є 2 переходи (емітерний та колекторний), і кожен із них може знаходитись в двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний — в закритому. Транзистори, які працюють в активному режимі, використовуються в схемах підсилення. Окрім активного виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний — відкритий, режим насичення, при якому обидва переходи відкриті, та режим відсічки, при якому переходи закриті.

Першою практичною математичною моделлю біполярного транзистора була модель Еберса—Молла.

Активний режим

Активному режиму роботи транзистора відповідає відкритий стан емітерного переходу і закритий колекторний перехід. В цьому режимі переходи транзистора мають різну ширину: закритий колекторний перехід значно ширший ніж відкритий емітерний перехід. Окрім наскрізного потоку електронів, в структурі в активному режимі протікає інший потік, а саме, зустрічний потік дірок, що рухаються із бази в емітер. Два зустрічних потоки (дірок та електронів) відображають ефект рекомбінації в базі. Електронний потік створюється електронами, які рухаються із емітера, однак не доходять до колекторного переходу (як електрони, що створюють наскрізний потік), а рекомбінують із дірками в базі. Дірковий потік створюється дірками, що надходять із зовнішнього кола в базу для компенсації втрати дірок внаслідок рекомбінації з електронами. Вказані потоки створюють в зовнішніх колах емітера і бази додаткові складові струмів. На рисунку також показані потоки неосновних носіїв заряду, що створюють власний тепловий струм колекторного переходу (потік електронів, що рухаються із бази в колектор, та потік дірок з колектора в базу).

Наскрізний потік є єдиним корисним потоком носіїв в транзисторі, оскільки визначає можливість підсилення електричних сигналів. Всі інші потоки не беруть участі в підсиленні сигналу, і тому є побічними. Для того щоб транзистор мав високий коефіцієнт підсилення, необхідно щоб побічні потоки були якомога слабші в порівнянні з корисним наскрізним потоком.

Інверсний режим

Інверсний (інверсний активний) режим роботи біполярного транзистора аналогічний активному режиму з відмінністю лише в тому, що в цьому режимі у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, а в закритому — емітерний.

Режим насичення

В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться у відкритому стані. В цьому режимі електрони і з емітера, і з колектора рухаються в базу, внаслідок чого в структурі протікають два зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний та інверсний).

Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера та колектора. Внаслідок подвійного насичення бази, в ній накопичуються надлишкові електрони, внаслідок чого посилюється їх рекомбінація з дірками і рекомбінований струм бази є набагато вищим, ніж в активному чи інверсному режимах.

У зв’язку із насиченням бази транзистора і його переходів надлишковими носіями зарядів, опір останніх стає дуже маленьким. Тому електричні кола, що містять транзистор в режимі насичення можна вважати короткозамкненими.

Режим відсічки

В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться у закритому стані. Наскрізні потоки електронів в цьому режимі відсутні. Через переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють малі некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в режимі відсічки збіднені рухомими носіями заряду, внаслідок чого їх опір є дуже високим. Тому вважають, що транзистор в режимі відсічки розриває електричне коло. Режим насичення та відсічки використовуються при роботі транзистора в імпульсних схемах.

Схеми включення

Транзистор як активний елемент може бути представлений як чотириполюсник з двома вхідними та двома вихідними полюсами. Зважаючи, що у транзистора три виводи, один з них має бути спільним для вхідного і вихідного сигналу. Під вхідними (вихідними) полюсами розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) напруга. Схеми включення отримали назви: схема зі спільним емітером (СЕ), схема зі спільною базою (СБ) і схема зі спільним колектором (СК).

Схеми підключення транзистора характеризується наступними основними показниками:

• коефіцієнт підсилення по струму n=dI_вих/dI_вх
• коефіцієнт підсилення по напрузі n=dU_вих/dU_вх
• вхідний опір R_вх=dU_вх/dI_вх
• вихідний опір R_вх=dU_вих/dI_вих

Схема зі спільним емітером

Підсилювальний каскад за схемою підключення транзистора зі спільним емітером на основі npn-транзистора

Схему зі спільним емітером інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:

Iвих=Iк{\displaystyle I_{\text{вих}}=I_{\text{к}}}

Iвх=Iб{\displaystyle I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}}

Uвх=Uбе{\displaystyle U_{\text{вх}}=U_{\text{бе}}}

Uвих=Uке{\displaystyle U_{\text{вих}}=U_{\text{ке}}}

Переваги:

Недоліки

• Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні з іншими схемами.

Схема зі спільною базою

Підсилювальний каскад за схемою зі спільною базою на основі npn-транзистора

Схема зі спільною базою не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини:

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_к/I_е=α [α<1]
• Вхідний опір R_вх=U_вх/I_вх=U_бе/I_е.

Вхідний опір для схеми зі спільною базою малий і не перевищує 100 Ом для малопотужних транзисторів, оскільки вхідний ланцюг транзистора при цьому є відкритим емітерним переходом транзистора.

Переваги:

• Гарні температурні та частотні властивості
• Висока допустима напруга

Недоліки

• Підсилення по струму близьке до 1, оскільки α < 1
• Малий вхідний опір
• Два різні джерела напруги для живлення

Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач)

Емітерний повторювач на основі npn-транзистора

Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач) не інвертує вхідний сигнал, його характеризують наступні величини: Вихідні дані

Iвих=Iе{\displaystyle I_{\text{вих}}=I_{\text{е}}}

Iвх=Iб{\displaystyle I_{\text{вх}}=I_{\text{б}}}

Uвх=Uбк{\displaystyle U_{\text{вх}}=U_{\text{бк}}}

Uвих=Uке{\displaystyle U_{\text{вих}}=U_{\text{ке}}}

• Коефіцієнт підсилення по струму: I_вих/I_вх=I_е/I_б=I_е/(I_е-I_к) = 1/(1-α) = β [β>>1]
• Вхідний опір: R_вх=U_вх/I_вх=(U_бе+U_ке)/I_б

Переваги

• Великий вхідний опір
• Малий вихідний опір

Недоліки

• Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1

Власні шуми в транзисторах

Джерелами шумів в транзисторі є:

• електронно-діркові переходи;
• активні складові областей бази, емітера і колектора;
• випадкові перерозподіли струму між колектором і базою;
• неоднорідності напівпровідникового матеріалу.

Відповідно до теорії шумових властивостей транзисторів, основну роль в транзисторах грають: флікер-шум, дробовий, теплові шуми, шуми поділу, тощо. Розглянемо ці шуми більш детальніше, припускаючи, що транзистор працює в режимі малого сигналу.

У транзисторах флікер-шум спостерігається на низьких частотах (менше 1 кГц). Спектральна щільність потужності цього шуму пропорційна 1/f{\displaystyle 1/f}, де f{\displaystyle f} — частота. Джерелом низькочастотних шумів в транзисторі є носії електричного заряду в середині р-n-переходу і на його поверхні під дією температури, прикладеного електричного поля, а також в результаті зіткнення нейтральних атомів напівпровідника або домішок з керованим потоком основних носіїв заряду. Кількість носіїв, збуджених за даний проміжок часу, є випадковою, а створений ними струм — флуктуаційним. Коефіцієнт шуму може бути визначений за формулою:

Kш=Uш2U2{\displaystyle K_{\text{ш}}={\frac {U_{\text{ш}}^{2}}{U^{2}}}}

де U{\displaystyle U} — напруга джерела сигналу, підключеного до входу транзистора; Так як площа колекторного переходу зазвичай набагато більше площі емітерного переходу, низькочастотний шум в основному проявляється в колекторному переході Зазвичай флікер-шум виникає в результаті погано оброблених поверхонь кристала і в місцях омічних контактів виводів і кристала. При шліфуванні кристал має менший флікер-шум ніж при травленні його поверхні. Для зниження цього шуму необхідно зменшити щільність струму на одиницю поверхні, використовувати планарні транзистори і транзистори з високим ступенем технологічної обробки поверхні. Крім того, в схемах підсилювачів доцільно використовувати транзистори р-n-р типу, що мають менший рівень низькочастотного шуму, ніж транзистори n-р-n-типу. У ряді випадків спеціальні вимірювання флікер-шуму на частоті f{\displaystyle f} = 1 кГц і нижче дозволяють прогнозувати надійність транзисторів і визначати ряд дефектів в них: погані контакти, тріщини, тощо. Тепловий шум транзистора викликаний хаотичним рухом носіїв в середині напівпровідника. Цей шум, на відміну від надлишкового шуму, існує навіть за відсутності електричного струму. На середніх і високих частотах основними джерелами шуму в транзисторі є дробові шуми в емітерному та колекторному переходах, тепловий шум опору бази і шуми струмо-розподілу, пов’язані з випадковим характером розподілу емітерного струму між колектором і базою.

Коефіцієнт шуму залежить також від опору джерела сигналу, при цьому існує оптимальний опір і оптимальне значення струму емітера.

Умови, за яких коефіцієнт шуму має мінімальне значення, можуть не збігатися з умовами отримання максимального коефіцієнта посилення. Для зниження дробових шумів рекомендується використовувати транзистори з малим зворотним струмом, а також працювати при порівняно невисоких температурах і невеликих струмах емітера.

Випадковий характер процесів рекомбінації носіїв в області бази транзистора є причиною появи шуму пов’язаного з перерозподілом струму емітера. Існують й інші типи шумів в транзисторах — це шуми опромінення, що виникають при опроміненні транзистора швидкими частинками, шуми лавинного пробою, що виникають при високому, близькому до пробивного рівню зворотної напруги на переході, вибухові шуми і тощо. Однак в транзисторі основними шумами є надлишкові — тепловий, дробовий і шуми поділу.

Див. також

Примітки

Джерела

Принцип дії біполярного транзистора. Режими роботи.

⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 14Следующая ⇒

Загальні відомості

Біполярним транзистором (БТ) називається трьохелектродний напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими p-n переходами, призначений для посилення електричних коливань по струму, напрузі або потужності. Слово “біполярний” означає, що фізичні процеси в БТ визначаються рухом носіїв заряду обох знаків (електронів і дірок). Взаємодія переходів забезпечується тим, що вони розташовуються достатньо близько — на відстані, меншому дифузійної довжини. Два p-n-переходи утворюються в результаті чергування областей з різним типом електропровідності. Залежно від порядку чергування розрізняють БТ типа

n-p-n (або із структурою n-p-n) і типу p-n-p (або із структурою p-n-p), умовні зображення яких показані на рисунку 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1 Структури БТ.

 

Структура реального транзистора типу n-p-n зображена на рисунку 3.2. У цій структурі існують два переходи з неоднаковою площею: площа лівого переходу n₁⁺-p менше, ніж у переходу n₂-p. Крім того, у більшості БТ одна з крайніх областей (n₁ з меншою площею) перетину легована набагато сильніше, ніж інша крайня область (n₂).

 

Рисунок 3.2 Структура реального БТ типу n-p-n.

 

Сильнолегированная область позначена верхнім індексом “+” (n⁺). Тому БТ є асиметричним приладом. Асиметрія відображається і в назвах крайніх областей: сильнолегированная область з меншою площею (n₁⁺) називається емітером, а область n₂ — колектором. Відповідно область (p) називається базовою(або базою). Права область n⁺ служить для перехід n₁⁺-р називають емітерним, а n₂-p колекторним. Середня зниження опору колектора. Контакти з областями БТ позначені на малюнках 3.1 і 3.2 буквами: Э — емітер; Би — база; К- колектор.

Основні властивості БТ визначаються процесами в базовій області, яка забезпечує взаємодію емітерного і колекторного переходів. Тому ширина базової області повинна бути малою (звичайно менше 1 мкм). Якщо розподіл домішки в базі від емітера до колектора однорідне (рівномірне), то в ній відсутнє електричне поле і носії здійснюють в базі тільки дифузійний рух. У разі нерівномірного розподілу домішки (неоднорідна база) в базі існує “внутрішнє” електричне поле, що викликає появу дрейфового руху носіїв: результуючий рух визначається як дифузією, так і дрейфом. БТ з однорідною базою називають бездрейфовыми, а з неоднорідною базою — дрейфовими.

Біполярний транзистор, що є триполюсним приладом, можна використовувати в трьох схемах включення: із загальною базою (Про) (рисунок 3.3,а), загальним емітером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), і загальним колектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрілки на умовних зображеннях БТ указують (як і на рисунку 3.1) напрям прямого струму емітерного переходу. У позначеннях напруг друга буква індексу позначає загальний електрод для двох джерел живлення.

У загальному випадку можливо чотири варіанти полярностей напруги переходів, що визначають чотири режими роботи транзистора. Вони одержали назви: нормальний активний режим, інверсний активний режим, режим насичення (або режим двосторонньої інжекції) і режим відсічення.

 

а)	б)	в)
Рисунок 3.3 Схеми включення БТ.

 

У нормальному активному режимі (НАР) на емітерному переході діє пряма напруга (напруга емітер — база UЭБ), а на колекторному переході — зворотне (напруга колектор — база UКБ). Цьому режиму відповідають полярності джерел живлення на рисунку 3.4 і напрями струмів для p-n-p транзистора. У разі n-p-n транзистора полярності напруги і напряму струмів змінюються на протилежні.

Рисунок 3.4 Фізичні процеси в БТ.

 

Цей режим роботи (НАР) є основним і визначає призначення і назву елементів транзистора. Емітерний перехід здійснює інжекцію носіїв у вузьку базову область, яка забезпечує практично без втрат переміщення инжектированных носіїв до колекторного переходу. Колекторний перехід не створює потенційного бар’єру для носіїв, що підійшли, стали неосновними носіями заряду в базовій області, а, навпаки, прискорює їх і тому переводить ці носії в колекторну область. “Збірна” здатність цього переходу і зумовила назву “колектор”. Колектор і емітер можуть помінятися ролями, якщо на колекторний перехід подати пряму напругу UКБ, а на емітерний -обратное UЭБ. Такий режим роботи називається інверсним активним режимом (ИАР). В цьому випадку транзистор “працює” у зворотному напрямі: з колектора йде інжекція дірок, які проходять через базу і збираються емітерним переходом, але при цьому його параметри відрізняються від первинних.

Режим роботи, коли напруги на емітерному і колекторному переходах є прямими одночасно, називають режимом двосторонньої інжекції (РДИ) або менш вдало режимом насичення (РН). В цьому випадку і емітер, і колектор инжектируют носії заряду в базу назустріч один одному і одночасно кожний з переходів збирає носії, що приходять до нього від іншого переходу.

Нарешті, режим, коли на обох переходах одночасно діють зворотні напруги, називають режимом відсічення (РО), оскільки в цьому випадку через переходи протікають малі зворотні струми.

Слід підкреслити, що класифікація режимів проводиться по комбінації напруг переходів, В схемі включення із загальною базою (Про) вони рівні напругам джерел живлення UЭБ і UКБ. У схемі включення із загальним емітером (ОЭ) напруга на емітерному переході визначається напругою першого джерела (UЭБ = -UБЭ), а напруга колекторного переходу залежить від напруг обох джерел і за загальним правилом визначення різниці потенціалів UКБ = UКЭ + UЭБ. Оскільки UЭБ = -UБЭ, то UКБ = UКЭ — UБЭ; при цьому напругу джерел живлення треба брати з своїм знаком: позитивним, якщо до електроду приєднаний позитивний полюс джерела, і негативним — в іншому випадку. У схемі включення із загальним колектором (ОК) напруга на колекторному переході визначається одним джерелом: UКБ = -UБК. Напруга на емітерному переході залежить від обох джерел: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК — UБК, при цьому правило знаків колишнє.



Біполярні транзистори (стр. 1 из 4)

Біполярні транзистори

Зміст

Вступ

Теоретична частина

1.Загальні відомості

2. Принцип дії n–p–n транзистора

3. Підсилення за допомогою транзистора

3.1 Схеми включення транзисторів (СБ, СК, СЕ)

3.2 Схема із спільним емітером (СЕ)

3.3 Схема із спільною базою (СБ)

3.4 Схема із суспільним колектором (СК)

4. h-параметри

5. Вплив температури на роботу біполярного транзистора

Вступ

У 1958 р. американські учені Дж. Бардін і В. Браттейн створили напівпровідниковий тріод, або транзистор. Ця подія мала величезне значення для розвитку напівпровідникової електроніки. Транзистори можуть працювати при значно меншій напрузі, чим лампові тріод, і не є простими замінниками останніх: їх можна використовувати не лише для посилення і генерації змінного струму, але і як ключові елементи. Визначення «біполярний» вказує на те, що робота транзистора пов’язана з процесами, в яких беруть участь носії заряду двох сортів (електрони і дірки). Визначення «біполярний» вказує на те, що робота транзистора пов’язана з процесами, в яких беруть участь носії заряду двох сортів (електрони і дірки).

1. Загальні відомості

Транзистори – це напівпровідникові прилади, придатні для посилення потужності, що мають три виводи, або більше. У транзисторах може бути різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома n–p–переходами, звані біполярними, оскільки їх робота заснована на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. В даний час виготовляються і застосовуються виключно площинні транзистори.

Будова площинного біполярного транзистора показаний схематично на мал.1

Мал.1 Будова площинного біполярного транзистора

Транзистор являє собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якій створено три області з різною електропровідністю. Для прикладу узятий транзистор типа n–p–n , що має середню область з дірковою, а дві крайні області – з електронною електропровідністю. Розповсюджені також транзистори типу p–n–p , у яких дірковою електропровідністю володіють дві крайні області, а середня має електронну електропровідність.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, інша – колектором.

Таким чином, в транзисторі є два n–p–переходи: емітерний – між емітером і базою і колекторний – між базою і колектором. Відстань між ними має бути дуже малою, не більш за одиниці мікрометрів, тобто область бази має бути дуже тонкою. Це є умовою хорошої роботи транзистора. Крім того, концентрація домішок в базі завжди значно менше, ніж в колекторі і емітері. Від бази, емітера і колектора зроблені виводи.

Для величин, що відносяться до бази, емітера і колектора, застосовують як індекси букви “б”, “е” і “к”. Струми в дротах бази, емітера і колектора позначають відповідно iб, iэ, iк. Напруга між електродами позначають подвійними індексами, наприклад напруга між базою і емітером Uб-э , між колектором і базою Uк-б . На умовному графічному позначенні (мал.2) транзисторів p–n–p і n–p–n стрілка показує умовний (від плюса до мінуса) напрям струму в дроті емітера при прямій напрузі на емітерному переході.

Мал.2 Умовне графічне позначення транзисторів

Залежно від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. Оскільки в транзисторі є два переходи (емітерний і колекторний), і кожен з них може знаходитися в двох станах (відкритому і закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним режимом є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний — у закритому. Транзистори, що працюють в активному режимі, використовуються в підсилювальних схемах. Окрім активного, виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний — відкритий, режим насичення, при якому обоє переходи відкрито, і режим відсічення, при якому обоє переходу закрито.Основним є активний режим. Він використовується в більшості підсилювачів і генераторів. Режими відсічення і насичення характерні для імпульсної роботи транзистора.

У схемах з транзисторами зазвичай утворюються два ланцюги: вхідний (керуючий) – в нього включають джерело підсилювальних сигналів і вихідний (керованаий) – в нього включається навантаження.

2. Принцип дії n–p–n транзистора

Розглянемо принцип роботи транзистора, на прикладі n–p–n транзистора в режимі без навантаження, коли включені лише джерела постійної живлячої напруги E1і E2(мал. 3)

Мал.3 Схема включення n–p–n транзистора без навантаження

Полярність їх така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному – зворотне. Тому опір емітерного переходу малий і для здобуття нормального струму в цьому переході досить напруги Е1у десяті долі вольта. Опір колекторного переходу великий, і напруга E2 зазвичай складає одиниці або десятки вольт. З схеми на мал. 3 видно, що напруги між електродами транзистора зв’язані простою залежністю

.

При роботі транзистора в активному режимі зазвичай завждиUб-э<<Uк-бі, отже, Uк-э»Uк-б.

Вольт-амперна характеристика емітерного переходу являє собою характеристику напівпровідникового діоду при прямому струмі, а вольт-амперна характеристика колекторного переходу подібна до характеристики діода при зворотному струмі.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу, тобто ділянки база – емітер (Uб-э), істотно впливає на струми емітера і колектора. Чим більше ця напруга, тим більше струми емітера і колектора. При цьому зміни струму колектора лише незначно менше змін струму емітера. Таким чином, напруга Uб-э, тобто вхідна напруга, керує струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора засноване саме на цьому явищі.

Фізичні процеси в транзисторі відбуваються таким чином. При збільшенні прямої вхідної напруги Uб-е знижується потенційний бар’єр в емітерному переході і відповідно зростає струм через цей перехід – струм емітера iе.Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки дифузії проникають крізь базу в колекторний перехід, збільшуючи струм колектора.Оскільки колекторний перехід працює при зворотній напрузі, то в цьому переході виникають об’ємні заряди, показані на малюнку колами із знаками «+» і «–». Між ними виникає електричне поле. Воно сприяє просуванню (екстракції) через колекторний перехід електронів, що перейшли з емітера, тобто втягують електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок в ній невелика, то більшість електронів, пройшовши через базу, не встигають рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в базі з дірками. В результаті рекомбінації виникає струм бази.У сталому режимі число дірок в базі має бути незмінним. Унаслідок рекомбінації кожну секунду деяка кількись дірок зникає, але стільки ж нових дірок виникає за рахунок того, що з бази вирушає у напрямі до плюса джерела E1 таке ж число електронів. Інакше кажучи, в базі не може накопичуватися багато електронів.Якщо деяке число інжектованих в базу з емітера електронів не доходить до колектора, а залишається в базі, рекомбінуючи з дірками, то таке саме число електронів повинне вирушати з бази у вигляді струму iб. Оскільки струм колектора виходить менше струму емітера, то відповідно до першого закону Кирхгофа завжди існує наступне співвідношення між струмами:

Струм бази є даремним і навіть шкідливим. Бажано, аби він був якомога менше. Зазвичай iб складає малу долю (відсотки) струму емітера, тобто

, а отже, струм колектора лише незначно менше струму емітера і можна вважати . Саме для того, щоб струм iб був якомога менше, базу роблять дуже тонкою і зменшують в ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. Тоді менше число електронів рекомбінуватиме в базі з дірками.

Якби база мала значну товщину і концентрація дірок в ній була великою, то велика частина електронів емітерного струму, дифундуючи через базу, рекомбінувала б з дірками і не дійшла б до колекторного переходу. Струм колектора майже не збільшувався б за рахунок електронів емітера, а спостерігалося б лише збільшення струму бази.

Коли до емітерного переходу напруга не прикладена, то практично можна вважати, що в цьому переході немає струму. В цьому випадку область колекторного переходу має великий опір постійному струму, оскільки основні носії зарядів віддаляються від цього переходу і по обоє сторони від кордону створюються області, збіднені цими носіями. Через колекторний перехід протікає лише дуже невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням назустріч один одному неосновних носіїв, тобто електронів з p-області і дірок з n–області.

Важлива властивість транзистора – приблизно лінійна залежність між його струмами, тобто всі три струми транзистора змінюються майже пропорційно один одному.

Подібні ж процеси відбуваються в транзисторі типа p–n–p, але в нього міняються ролями електрони і дірки, а також змінюються полярності напруги і напряму струмів(мал. 3). У транзисторі типа p–n–p з емітера в базу інжектуются не електрони, а дірки, які є для бази неосновними носіями. Із збільшенням струму емітера більше таких дірок проникає через базу до колекторного переходу. Це викликає зменшення його опору і зростання струму колектора.

Униполярный транзистор — это… Что такое Униполярный транзистор?

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных).

История создания полевых транзисторов

Идея полевого транзистора с изолированным затвором была предложена Лилиенфельдом в 1926—1928 годах. Однако объективные трудности в реализации этой конструкции позволили создать первый работающий прибор этого типа только в 1960 году. В 1953 году Дейки и Росс предложили и реализовали другую конструкцию полевого транзистора — с управляющим p-n-переходом. Наконец, третья конструкция полевых транзисторов — полевых транзисторов с барьером Шоттки — была предложена и реализована Мидом в 1966 году.

Схемы включения полевых транзисторов

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (метал — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 2. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO₂, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰…10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷…10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (U_ЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис. 2, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком.

Изображённые на рис. 2 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом

При напряжении на затворе относительно истока, равном нулю, и при наличии напряжения на стоке, — ток стока оказывается ничтожно малым. Он представляет собой обратный ток p-n перехода между подложкой и сильнолегированной областью стока. При отрицательном потенциале на затворе (для структуры, показанной на рис. 2, а) в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при малых напряжениях на затворе (меньших U_ЗИпор) у поверхности полупроводника под затвором возникает обеднённый основными носителями слой эффект поля и область объёмного заряда, состоящая из ионизированных нескомпенсированных примесных атомов. При напряжениях на затворе, больших U_ЗИпор, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком. Толщина и поперечное сечение канала будут изменяться с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться и ток стока, то есть ток в цепи нагрузки и относительно мощного источника питания. Так происходит управление током стока в полевом транзисторе с изолированным затвором и с индуцированным каналом.

В связи с тем, что затвор отделён от подложки диэлектрическим слоем, ток в цепи затвора ничтожно мал, мала и мощность, потребляемая от источника сигнала в цепи затвора и необходимая для управления относительно большим током стока. Таким образом, МДП-транзистор с индуцированным каналом может производить усиление электромагнитных колебаний по напряжению и по мощности.

Принцип усиления мощности в МДП-транзисторах можно рассматривать с точки зрения передачи носителями заряда энергии постоянного электрического поля (энергии источника питания в выходной цепи) переменному электрическому полю. В МДП-транзисторе до возникновения канала почти всё напряжение источника питания в цепи стока падало на полупроводнике между истоком и стоком, создавая относительно большую постоянную составляющую напряжённости электрического поля. Под действием напряжения на затворе в полупроводнике под затвором возникает канал, по которому от истока к стоку движутся носители заряда — дырки. Дырки, двигаясь по направлению постоянной составляющей электрического поля, разгоняются этим полем и их энергия увеличивается за счёт энергии источника питания, в цепи стока. Одновременно с возникновением канала и появлением в нём подвижных носителей заряда уменьшается напряжение на стоке, то есть мгновенное значение переменной составляющей электрического поля в канале направлено противоположно постоянной составляющей. Поэтому дырки тормозятся переменным электрическим полем, отдавая ему часть своей энергии.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 3. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

 В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом.

В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 2, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 3).

Статические характеристики передачи (рис. 3, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки U_ЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Формулы расчёта в зависимости от напряжения U_ЗИ

1. Транзистор закрыт

Пороговое значение напряжения МДП транзистора

2. Параболический участок.

-удельная крутизна транзистора.

3. Дальнейшее увеличение U₃u приводит к переходу на пологий уровень.

— Уравнение Ховстайна.

МДП-структуры специального назначения

В структурах типа металл-нитрид-оксид-полупроводник (МНОП) диэлектрик под затвором выполняется двухслойным: слой оксида SiO₂ и толстый слой нитрида Si₃N₄. Между слоями образуются ловушки электронов, которые при подаче на затвор МНОП-структуры положительного напряжения (28..30 В) захватывают туннелирующие через тонкий слой SiO₂ электроны. Образующиеся отрицательно заряженные ионы повышают пороговое напряжение, причём их заряд может храниться до нескольких лет при отсутствии питания, так как слой SiO₂ предотвращает утечку заряда. При подаче на затвор большого отрицательного напряжения (28…30 В), накопленный заряд рассасывается, что существенно уменьшает пороговое напряжение.

Структуры типа металл-оксид-полупроводник (МОП) с плавающим затвором и лавинной инжекцией (ЛИЗМОП) имеют затвор, выполненный из поликристаллического кремния, изолированный от других частей структуры. Лавинный пробой p-n-перехода подложки и стока или истока, на которые подаётся высокое напряжение, позволяет электронам проникнуть через слой окисла на затвор, вследствие чего на нём появляется отрицательный заряд. Изолирующие свойства диэлектрика позволяют сохранять это заряд десятки лет. Удаление электрического заряда с затвора осуществляется с помощью ионизирующего ультрафиолетового облучения кварцевыми лампами, при этом фототок позволяет электронам рекомбинировать с дырками.

В дальнейшем были разработаны структуры запоминающих полевых транзисторов с двойным затвором. Встроенный в диэлектрик затвор используется для хранения заряда, определяющего состояние прибора, а внешний (обычный) затвор, управляемый разнополярными импульсами для ввода или удаления заряда на встроенном (внутреннем) затворе. Так появились ячейки, а затем и микросхемы флэш-памяти, получившие в наши дни большую популярнотсь и составившие заметную конкуренцию жестким дискам в компьютерах.

Для создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) были созданы сверхминиатюрные полевые микротранзисторы. Они делаются с применением нанотехнологий с геометрическим разрешением менее 100 нм. У таких приборов толщина подзатворного диэлектрика доходит до нескольких атомных слоев. Используются различные, в том числе трехзатворные структуры. Приборы работают в микромощном режиме. В современных микропроцессорах корпорации Intel число приборов составляет от десятков миллионов до 2 миллиардов. Новейшие полевые микротранзисторы выполняются на напряженном кремнии, имеют металлический затвор и используют новый запатентованный материал для подзатворного диэлектрика на основе соединений гафния.^[1]

В последние четверть века бурное развитие получили мощные полевые транзисторы, в основном МДП-типа. Они состоят из множества маломощных структур или из структур с разветвленной конфигурацией затвора. Такие ВЧ и СВЧ приборы впервые были созданы в CCCР специалистами НИИ «Пульсар» Бачуриным В. В. (кремниевые приборы) и Ваксембургом В. Я. (арсенид-галлиевые приборы) Исследование их импульсных свойств было выполнено научной школой проф. Дьяконова В. П. (Смоленский филиал МЭИ). Это открыло область разработки мощных ключевых (импульсных) полевых транзисторов со специальными структурами, имеюших высокие рабочие напряжения и токи (раздельно до 500—1000 В и 50-100 А). Такие приборы нередко управляются малыми (до 5 В) напряжениями, имеют малое сопротивление в открытом состоянии (до 0,01 Ом) у сильноточных приборов, высокую крутизну и малые (в единицы-десятки нс) времена переключения. У них отсутствует явление накопления носителей в структуре и явление насыщения, присушее биполярным транзисторам. Благодаря этому мощные полевые транзисторы успешно вытесняют мощные биполярные транзисторы в области силовой электроники малой и средней мощности.^[2][3]

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надежность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 поядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, обладающие малыми нелинейными и динамическими искажениями.

Примечания

1. ↑ Дьяконов В. П. Intel. Новейшие информационные технологии. Достижения и люди. М.: СОЛОН-Пресс.- 2004.- 416 с.
2. ↑ Схемотехника устройств на мощных полевых транзисторах: Справочник. В. В. Бачурин, В. Я. Ваксембург, В. П. Дьяконов и др.; Под ред. В. П. Дьяконоваю- М.: Радио и связь, 1994.- 280 с.
3. ↑ Энциклопедия устройств на полевых транзисторах. Дьяконов В. П., Максимчук А. А., Ремнев А. М., Смердов В. Ю.; Под ред. проф. В. П. Дьяконова.- М.: СОЛОН-Р, 2002.- 512 с.