Біполярний транзистор: відмінності між версіями
| [перевірена версія] | [неперевірена версія] |
Вилучено вміст Додано вміст
зовнішні посилання |
|||
Рядок 1:
{{float_begin|side=right}}
|- align = "center"
| [[Файл:BJT symbol PNP.svg|60px]] || PNP
|- align = "center"
| [[Файл:BJT symbol NPN.svg|60px]] || NPN
{{float_end|caption=Схематичні <br /> позначення <br /> транзисторів PNP-<br /> та NPN типів<br />.}}
'''Біполярний транзистор''' — [[напівпровідник]]овий елемент [[електронна схема|електронних схем]], із трьома [[електрод]]ами, один з яких служить для керування [[електричний струм|струмом]] між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем частинок, що мають як позитивний, так і негативний [[електричний заряд]].
Виводи біполярного транзистора називаються '''емітером''', '''базою''' і '''колектором'''. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори NPN та PNP типу. В транзисторі NPN типу емітер і колектор легуються [[донор електрона|донорами]], а база — [[акцептор електрона|акцепторами]]. В транзисторі PNP типу — навпаки.
== Історія винаходу ==
Біполярний транзистор винайшли в 1947 році [[Джон Бардін]] і [[Волтер Браттейн]] під керівництвом [[Шоклі]] із [[Bell Labs]], за що отримали [[Нобелівська премія з фізики|Нобелівську премію з фізики]]. Вперше його продемонстрували [[16 грудня]], а [[23 грудня]] відбулось офіційне представлення винаходу і саме ця дата вважається днем відкриття транзистора.<ref>[http://www.elteg.ru/terms/20/29/ Електротехнічні товари: Словник термінів]</ref>
== Будова ==
[[Файл:Npn BJT cross section.PNG|міні|Поперечний розріз транзистора]]
На рисунку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора NPN типу. Колектором служить напівпровідник n-типу, легований [[донор]]ами до невисокої концентрації 10<sup>13</sup>−10<sup>15</sup> см<sup>−3</sup>. Перед створенням бази напівпровідник покривають [[фоторезист]]ом і за допомогою [[фотолітографія|літографії]] звільняють вікно для легування [[акцептор електрона|акцепторами]]. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією — 10<sup>17</sup>−10<sup>18</sup> см<sup>−3</sup>. 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 [[гетероперехід|гетеропереходом]], у якому емітер має набагато більшу ширину [[заборонена зона|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 перехід|p-n переходів]] між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n переходів виникають шари [[Просторовий заряд|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.
== Класифікація<ref>''Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А.'' Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. — Київ: Наукова думка, 1988. С. 183–191.</ref> ==
Транзистори класифікуються за вихідним матеріалом, розсіюваною потужністю, діапазоном робочих частот, принципом дії. В залежності від вихідного матеріалу їх поділяють на дві групи: [[германій|германієві]] та [[кремній|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, [[генератор]]и, перемикачі. За технологічними ознаками розрізняють сплавні, сплавно-дифузійні, дифузійно-сплавні, конверсійні, епітаксіальні, планарні, епітаксіально-планарні транзистори.
=== Позначення типу транзистора ===
Позначення типу транзистора встановлено галузевим стандартом ОСТ 11 336.919-81. ''Перший елемент'' позначає вихідний матеріал із якого виготовлений транзистор: германій чи його [[Хімічна сполука|сполуки]] — Г, кремній або його сполуки — К, сполуки [[Галій|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 [[Російська абетка|російського алфавіту]], що визначає класифікацію за параметрами приладів, виготовлених за єдиними технологіями.
{| align="center" class="standard"
|+ Третій елемент позначення транзисторів
! |Підклас транзисторів
! |Позначення
|-----
| Транзистори малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3 [[Ват|Вт]]):
* з граничною частотою коефіцієнта передачі струму чи максимальною робочою частотою не більше 3 [[Герц|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<ref>[http://www.dvo.sut.ru/libr/eqp/i001eqp1/3-1.htm Конспект курса «Электронные твердотельные приборы»{{ref-ru}}]</ref> ==
В залежності від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. 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 [[підсилювач|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 [[Джуел Джеймс Еберс|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 режим (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.
== Характеристики ==
Характеристики біполярних транзисторів можна розділити на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.
== Використання ==
Біполярні транзистори використовуються в [[підсилювач]]ах, [[генератор]]ах, перетворювачах сигналу, логічних схемах.
== Схеми включення біполярних транзисторів ==
Існує три основні схеми включення [[транзистор]]ів. При цьому один з [[електрод]]ів транзистора є загальною точкою входу і виходу [[Каскад (електроніка)|каскаду]]. Треба пам'ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) [[змінна напруга]]. Основні схеми включення називаються [[схема зі спільним емітером|схемами зі спільним емітером]] (СЕ), [[схема зі спільною базою|спільною базою]] (СБ) і [[схема зі спільним колетором|спільним колектором]] (СК).
== Схеми підключення ==
Будь-яка схема підключення транзистора характеризується двома основними показниками:
* коофіцієнт підсилення по струму n=I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>
* вхідний опір R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>
=== [[Підсилювальний каскад зі спільною базою|Схема зі спільною базою]] ===
[[Файл:NPN common base.svg|thumb|150px|Підсилювальний каскад за схемою зі спільною базою на основі npn-транзистора]]
* Коефіцієнт підсилення по струму: I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>=I<sub>к</sub>/I<sub>е</sub>=α [α<1]
* Вхідний опір R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>=U<sub>бе</sub>/I<sub>е</sub>.
Вхідний опір для схеми зі спільною базой 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''
* Мале підсилення по струму, оскільки α < 1
* Малий вхідний опір
* Два різні джерела напруги для живлення
=== [[Підсилювальний каскад зі спільним емітером|Схема зі спільним емітером]] ===
[[Файл:NPN common emitter.svg|thumb|150px|Підсилювальний каскад за схемою підключення транзистора зі спільним емітером на основі npn-транзистора (Схема з заземленим емітером)]]
''Вихідні дані''
: <math>I_\text{вих}=I_\text{к}</math>
: <math>I_\text{вх}=I_\text{б}</math>
: <math>U_\text{вх}=U_\text{бе}</math>
: <math>U_\text{вих}=U_\text{ке}</math>
* [[Коефіцієнт підсилення по струму]]: I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>=I<sub>к</sub>/I<sub>б</sub>=I<sub>к</sub>/(I<sub>е</sub>-I<sub>к</sub>) = α/(1-α) = β [β>>1]
* Вхідий опір: R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>=U<sub>бе</sub>/I<sub>б</sub>
''Переваги:''
* Великий [[коефіцієнт підсилення по струму]]
* Великий [[коефіцієнт підсилення по напрузі]]
* Найбільше підсилення потужності
* Можна обійтись одним [[Джерело живлення|джерелом живлення]]
* Вихідна [[напруга]] інвертується відносно вхідної
''Недоліки''
* Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні зі [[Підсилювальний каскад зі спільною базою|схемою зі спільною базою]]
=== [[Підсилювальний каскад зі спільним колектором|Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач)]] ===
[[Файл:NPN emitter follower.svg|thumb|150px|Емітерний повторювач на основі npn-транзистора]]
''Вихідні дані''
: <math>I_\text{вих}=I_\text{е}</math>
: <math>I_\text{вх}=I_\text{б}</math>
: <math>U_\text{вх}=U_\text{бк}</math>
: <math>U_\text{вих}=U_\text{ке}</math>
* Коефіцінт підсилення по струму: I<sub>вих</sub>/I<sub>вх</sub>=I<sub>е</sub>/I<sub>б</sub>=I<sub>е</sub>/(I<sub>е</sub>-I<sub>к</sub>) = 1/(1-α) = β [β>>1]
* Вхідний опір: R<sub>вх</sub>=U<sub>вх</sub>/I<sub>вх</sub>=(U<sub>бе</sub>+U<sub>ке</sub>)/I<sub>б</sub>
''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/fa.
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=(Uш^2)/(Uшо^2 ) ; (1.1)
де U — напруга теплового шуму 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 = 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. Залежність коефіцієнта шуму від частоти показано на рисунку 1.1.
Рисунок 1.1 — Залежність коефіцієнта шуму від частоти
Залежність коефіцієнта шуму від частоти показана рисунку 1, горизонтальна ділянка кривої пояснюється в основному тепловими шумами об'ємного опору бази rб. Чим вище гранична частота транзистора fгр, тим протяжніше ділянка кривої з найменшим коефіцієнтом шуму.
Коефіцієнт шуму залежить також від опору джерела сигналу, при цьому існує оптимальний опір і оптимальне значення струму емітера.
Слід зазначити, що умови, при 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 Іко, 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 ==
* [[Транзистор]]
* [[МДН- транзистор]]
* [[Польовий транзистор]]
== Примітки ==
{{reflist}}
== Джерела ==
* ''Напівпровідникові прилади'' : Підручник / Л. Д. Васильєва, Б. І. Медведенко, Ю. І. Якименко . — К.: Кондор, 2008. — ISBN 978-966-622-103-9.
* Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. — К.: Наукова думка, 1988. — С. 183 — 191.{{ref-ru}}
* {{МГЕ}}
{{Refimprove|дата=червень 2010}}
{{Electronics-stub}}
{{Physics-stub}}
{{Електронні компоненти}}
[[Категорія:Транзистори]]
| |||