Биполярное переходное транзистор

«BJT» и «Junction Transistor» перенаправляют здесь. Для других видов использования см. BJT (устранение неоднозначности) и перекрестный транзистор (устранение неоднозначности) .

Биполярное переходное транзистор (BJT)

Типичные отдельные пакеты BJT. Слева направо: SOT-23 , до-92 , до 126 , до-3
Working principleРабочий принцип	Полупроводник
Изобретенный	Декабрь 1947 года
Конфигурация PIN	Коллекционер, база, эмиттер
Электронный символ
Схематические символы BJTS PNP и NPN

3D-модель пакета TO-92, обычно используемой для небольших биполярных транзисторов

Биполярное переходное транзистор ( BJT ) - это тип транзистора , который использует как электроны , так и электронные отверстия в качестве носителей заряда . Напротив, однополярный транзистор, такой как полевой транзистор (FET), использует только один вид носителя заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, вводимую в одном из его терминалов , контролировать гораздо больший ток, протекающий между терминалами, что делает устройство, способным к усилению или переключению .

BJT используют два p-N-соединения между двумя полупроводниковыми типами, N-типом и P-типом, которые представляют собой области в монокристаллическом материале . Соединения могут быть сделаны несколькими различными способами, такими как изменение легирования полупроводникового материала по мере его выращивания, путем отложения металлических гранул на сплав сплав Кристалл. Высшая предсказуемость и производительность переходных транзисторов быстро вытеснили исходный точечный транзистор . Диффузные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегрированных цепей для аналоговых и цифровых функций. Сотни биполярных переходных транзисторов могут быть изготовлены в одной цепи за очень низкую стоимость.

Биполярные интегрированные транзисторные схемы были основными активными устройствами генерации мэйнфреймов и миникомпьютеров , но в большинстве компьютерных систем в настоящее время используются комплементарные интегрированные схемы металла-оксид-символа ( CMOS ), опирающиеся на полевой транзистор (FET). Биполярные транзисторы по-прежнему используются для усиления сигналов, переключения и в интегрированных цепях смешанного сигнала с использованием BICMO . Специализированные типы используются для переключателей высокого напряжения, для радиочастотных (RF) усилителей или для переключения высоких токов.

Соглашения текущего направления

По соглашению, направление тока на диаграммах показано как направление, которое будет двигаться положительным зарядом. Это называется обычным током . Однако ток в металлических проводниках, как правило, является из -за потока электронов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении противоположности обычному току. С другой стороны, внутри биполярного транзистора токи могут быть составлены как положительно заряженными отверстиями, так и от отрицательно заряженных электронов. В этой статье текущие стрелки показаны в обычном направлении, но этикетки для перемещения отверстий и электронов показывают свое фактическое направление внутри транзистора.

Направление стрелы

Стрелка на символе для биполярных транзисторов указывает на соединение P - N между основанием и эмиттером и указывает в направлении, в котором проходит обычный ток .

Функция

BJT существуют в виде типов PNP и NPN, основанных на типах допинга трех основных терминальных областей. Транзистор NPN включает в себя два полупроводниковых соединения, которые имеют тонкую область, легированную P, а PNP-транзистор состоит из двух полупроводниковых соединений, которые имеют тонкую область N-легированной. N-тип означает легированные примеси (такие как фосфор или мышьяк ), которые обеспечивают мобильные электроны, в то время как P-тип означает легированные примеси (такие как бор ), которые предоставляют отверстия, которые легко принимают электроны.

NPN BJT с соединением B-E-E-E-Enction B-E-обратного перехода B-C

Поток заряда в BJT связан с диффузией носителей заряда (электронов и отверстий) через соединение между двумя областями различной концентрации носителей заряда. Области BJT называются эмиттером , базой и коллекционером . Дискретный транзистор имеет три отведения для соединения с этими регионами. Как правило, область эмиттера сильно легирует по сравнению с двумя другими слоями, и коллекционер легируется более легким (обычно в десять раз легче ), чем база. По дизайну большая часть тока коллектора BJT обусловлена ​​потоком носителей заряда, вводимым из сильно легированного излучателя в основание, где они являются носителями меньшинства (электроны в NPN, отверстия в PNP), которые диффундируют в сторону коллекционера, поэтому BJT классифицируются как устройства для меньшинства .

В типичной операции соединение базового эмоттера является передовым , что означает, что легированная P-лечебная сторона соединения находится в более положительном потенциале, чем N-лечебная сторона, а соединение с базовым коллежом является обратным смещением . Когда к контакту с базовым -эмоттер применяется передовое смещение, равновесие между термически сгенерированными носителями и отталкивающимся электрическим полем области истощения излучателя нарушается. Это позволяет термо возбужденным носителям (электроны в NPN, отверстия в PNP) вводить из эмиттера в базовую область. Эти носители создают диффузионный ток через основание из области высокой концентрации вблизи эмиттера к области низкой концентрации вблизи коллектора.

Чтобы свести к минимуму долю носителей, которые рекомбинируют перед достижением соединения с коллектором-базой, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли распространяться по ней за гораздо меньшее время, чем жизнь с меньшинством с полупроводником. Наличие слегка легированной основы гарантирует, что скорости рекомбинации низкие. В частности, толщина основания должна быть намного меньше, чем диффузионная длина носителей. Соединение коллекционеров-базы является обратным смещением, и поэтому незначительная инъекция носителей происходит от коллекционера к основанию, но носители, которые вводят в основание из эмиттера, и диффундируют для достижения области истощения коллекционеров-базы, протекают в Коллекционер по электрическому полю в области истощения. Тонкое общее основание и асимметричное допинг коллекционера и эмоттера - это то, что отличает биполярный транзистор от двух отдельных диодов, связанных последовательно.

Управление напряжением, током и зарядом

Ток коллекционера -эмоттер может рассматриваться как контролируемый током базового иэттера (управление током) или напряжением базового эмотка (управление напряжением). Эти представления связаны с током -напряженным соотношением соединения базового -эмоттер, которая является обычной кривой экспоненциального тока и напряжения AP -N -соединения (диод).

Объяснение тока коллектора является градиент концентрации носителей меньшинств в базовой области. Из-за низкоуровневого впрыска (в которой более низкие избыточные носители, чем нормальные носители), скорости амбиполярного транспорта (при которых избыточное большинство и носители меньшинства текут с той же скоростью) фактически определяются избыточными носителями меньшинства.

Подробные транзисторные модели действия транзистора, такие как модель Gummel -Poon , явно объясняет распределение этого заряда, чтобы более точно объяснить поведение транзистора. Вид контроля заряда легко обрабатывает фототрансисторы , где носители меньшинств в базовой области создаются путем поглощения фотонов и обрабатывают динамику отключения или времени восстановления, что зависит от заряда в рекомбинировании базовой области. Однако, поскольку базовый заряд не является сигналом, который виден на терминалах, представления контроля тока и напряжения обычно используются при конструкции и анализе цепи.

В конструкции аналоговой схемы представление о контроле тока иногда используется, потому что он приблизительно линейный. То есть ток коллекционера приблизительно $\beta _{\text{F}}$ Время базового тока. Некоторые основные схемы могут быть разработаны, предполагая, что напряжение базового эмиттера приблизительно постоянное, и что ток коллекционера равен β -временю ток базового тока. модель контроля напряжения (например, модель Ebers-Moll ). Однако, чтобы точно и надежно разработать производственные цепи BJT, требуется Модель контроля напряжения требует, чтобы экспоненциальная функция была принята во внимание, но когда она линеаризована таким образом, что транзистор можно смоделировать как транспроводность, как и в модели Ebers-Moll, дизайн для схем, таких как дифференциальные усилители, снова становится в основном становится в основном становленный в основном Линейная проблема, поэтому представление о контроле напряжения часто предпочтительнее. Для трансферных схем , в которых экспоненциальная кривая I-V является ключом к операции, транзисторы обычно смоделированы как источники тока, напряжением контролируемого В целом, анализ схемы на уровне транзистора выполняется с использованием специй или сопоставимого симулятора аналогового цирки, поэтому сложность математической модели обычно не очень беспокоит дизайнера, но упрощенное представление о характеристиках позволяет создавать конструкции после логического процесса Полем

Включение, отключение и задержка хранения

Основная статья: Бейкер -зажим

Биполярные транзисторы, и особенно энергетические транзисторы, имеют длительное время хранения базового уровня, когда они приводятся в насыщение; Базовые ограничения с отключением хранения при переключении приложений. Пекарный зажим может предотвратить сильно насыщение транзистора, что уменьшает количество заряда, хранящегося в базе, и, таким образом, улучшает время переключения.

Характеристики транзистора: альфа ( α ) и бета ( β )

Доля носителей, способных пересечь основание и достичь коллекционера, является мерой эффективности BJT. Тяжелое легирование области излучателя и легирование света базовой области заставляют вводить гораздо больше электронов из эмиттера в основание, чем отверстия, которые могут вводить из основания в излучатель. Тонкая и слегка легированная базовая область означает, что большинство носителей меньшинств, которые вводят в основание, диффундируют в коллектор, а не рекомбина.

Общее усиление тока

Усиление общего числа тока представлено β _F или H -параметром H _Fe ; Это приблизительно соотношение постоянного тока коллекционера к постоянному току базы в направленной активной области. (Подписк F используется для обозначения прямого активного режима работы.) Обычно он превышает 50 для транзисторов с малым сигналом, но может быть меньше в транзисторах, предназначенных для мощных применений. Как эффективность впрыска, так и рекомбинация в базе снижают усиление BJT.

Общая базовая прирост тока

Другой полезной характеристикой является общей базы усиление тока , α _f . Усиление тока общей базы составляет приблизительно усиление тока от эмиттера к коллекционеру в направленной активной области. Это соотношение обычно имеет значение, близкое к единству; между 0,980 и 0,998. Это меньше, чем единство из -за рекомбинации носителей заряда, когда они пересекают базовую область.

Альфа и бета связаны с следующими идентичность:

${\begin{aligned}\alpha _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{E}}}},&\beta _{\text{F}}&={\frac {I_{\text{C}}}{I_{\text{B}}}},\\\alpha _{\text{F}}&={\frac {\beta _{\text{F}}}{1+\beta _{\text{F}}}}&\iff \beta _{\text{F}}&={\frac {\alpha _{\text{F}}}{1-\alpha _{\text{F}}}}.\end{aligned}}$

Бета - это удобная фигура заслуги для описания эффективности биполярного транзистора, но не является фундаментальным физическим свойством устройства. Биполярные транзисторы можно рассматривать, контролируемые напряжением устройства (в основном ток коллектора контролируется напряжением базового эмоттера; базовый ток можно считать дефектом и контролируется характеристиками соединения и рекомбинации базового эмоттера и рекомбинации). Во многих конструкциях бета считается достаточно высокой, так что базовый ток оказывает незначительное влияние на цепь. В некоторых схемах (обычно переключение цепей) достаточный базовый ток поставляется так, чтобы даже самое низкое бета -значение, которое может иметь конкретное устройство, все равно позволило бы течь необходимый ток коллектора.

Структура

Упрощенное поперечное сечение плоского NPN биполярного переходного транзистора

BJTS состоит из трех по -разному легированных полупроводниковых областей: область излучателя , базовая область и область коллектора . Эти области, соответственно, тип P , тип N и тип P в PNP -транзисторе, а N тип P , тип и N тип N в NPN -транзисторе. Каждая полупроводниковая область подключена к терминалу, соответственно помеченной: эмиттер (E), базу (B) и коллекционер (C).

Основание . физически расположено между эмиттером и коллекционером и изготовлена ​​из слегка легированного материала с высоким содержанием Коллекционер окружает область излучателя, что делает практически невозможным для электронов, введенных в базовую область, чтобы избежать, не собираясь, что делает полученное значение α очень близко к единству, и, следовательно, придавая транзистору большое β. Вид поперечного сечения BJT указывает на то, что соединение коллекционеров-базы имеет гораздо большую площадь, чем соединение эмиттер-базы.

Биполярное переходное транзистор, в отличие от других транзисторов, обычно не является симметричным устройством. Это означает, что взаимозаменяемый коллекционер и излучатель заставляет транзистор покинуть прямой активный режим и начать работать в режиме обратного. Поскольку внутренняя структура транзистора обычно оптимизирована для операции прямого режима, взаимосвязание коллекционера и излучателя делает значения α и β в обратной операции намного меньше, чем в прямой операции; Часто α режима обратного, ниже 0,5. Отсутствие симметрии в первую очередь обусловлено допинными соотношениями эмиттера и коллектора. Эмиттер сильно легирует, в то время как коллекционер слегка легируется, что позволяет приложить большое напряжение обратного смещения, прежде чем разбивается соединение с коллекционером -базой. Коллекционер -базовый соединение является обратным смещением в нормальной работе. Причина, по которой эмиттер сильно легирует, заключается в повышении эффективности инъекции излучателя: соотношение носителей, вводимых эмиттером к тем, которые вводили основание. Для высокого тока прирост, большинство носителей, вводимых в развязку излучателя -базы, должны поступать из эмиттера.

Умирайте от транзистора NPN 2N2222 - боковые провода подключаются к основанию и излучанию.

Низкоэффективные «боковые» биполярные транзисторы, иногда используемые в процессах CMOS, иногда разработаны симметрично, то есть без различий между прямой и обратной работой.

Небольшие изменения в напряжении, приложенных к терминалам базового эмоника, вызывают тока между эмиттером и коллекционером значительные изменения . Этот эффект может быть использован для усиления входного напряжения или тока. BJT можно рассматривать как источники тока, контролируемые напряжением , но более просто характеризуются как источники тока, контролируемые током, или усилители тока из-за низкого импеданса у основания.

Ранние транзисторы были сделаны из Германия , но большинство современных BJT изготовлены из кремния . Значительное меньшинство также сделано из арсенида галлия , особенно для очень высокоскоростных применений (см. HBT ниже).

Гетероперерабатывающий биполярный транзистор (HBT) - это улучшение BJT, которое может обрабатывать сигналы очень высоких частот до нескольких сотен ГГц . Это распространено в современных сверхбыстрых цепях, в основном РЧ -системах.

Символ биполярного транзистора NPN с направлением потока тока

Двумя часто используемыми HBT являются кремний -германий и алюминиевый арсенид галлия, хотя для структуры HBT можно использовать широкий спектр полупроводников. Структуры HBT обычно выращиваются с помощью эпитаксии, методов таких как MOCVD и MBE .

Области операции

Перекресток тип	Применяемый напряжения	Смещение соединения		Режим
		БЫТЬ	B - C.
Npn	E <B <C	Вперед	Обеспечить регресс	Вперед-активный
	E <b> c	Вперед	Вперед	Насыщенность
	E> b <c	Обеспечить регресс	Обеспечить регресс	Отрезать
	E> b> c	Обеспечить регресс	Вперед	Обратно-активный
Pnp	E <B <C	Обеспечить регресс	Вперед	Обратно-активный
	E <b> c	Обеспечить регресс	Обеспечить регресс	Отрезать
	E> b <c	Вперед	Вперед	Насыщенность
	E> b> c	Вперед	Обеспечить регресс	Вперед-активный

Биполярные транзисторы имеют четыре различных областях операции, определяемые смещениями BJT Junction:

Прямо-активная (или просто активная )

Соединение базового эматтер -эмоттера представлено вперед, а соединение базового - коллега -коллера переключено обратно. Большинство биполярных транзисторов предназначены для того, чтобы позволить себе наибольшее усиление тока общего числа, β _F , в направленном активном режиме. Если это так, то ток коллекционера -эмиттер приблизительно пропорционален базовому току, но во много раз больше, для небольших изменений тока базового тока.

Обратно-активный (или обратный активный или инвертированный )

Обратите внимание на условия смещения направленной активной области, биполярный транзистор переходит в режим обратного активного. В этом режиме эмиттерные и коллекционные регионы переключают роли. Поскольку большинство BJT предназначены для максимизации усиления тока в направленном активном режиме, β _F в инвертированном режиме в несколько раз меньше (2–3 раза для обычного транзистора Германия). Этот режим транзистора редко используется, обычно рассматривается только для условий сбоя и некоторых типов биполярной логики . Напряжение разбивки обратного смещения на основание может быть более низким в этой области.

Насыщенность

С обоими соединениями смещено, BJT находится в режиме насыщения и облегчает высокую току от излучателя к коллекционеру (или другое направление в случае NPN, причем негативно заряженные носители, протекающие из излучателя к коллекционеру). Этот режим соответствует логическому «включению» или закрытому переключателю.

Отрезать

В отсечении присутствуют условия смещения, противоположные насыщению (оба соединения с обратным смещением). Очень мало тока, который соответствует логическому «выключению» или открытому выключателю.

Входные характеристики

Выходные характеристики

Входные и выходные характеристики для усилителя кремния общей базы.

Хотя эти области хорошо определены для достаточно большого приложенного напряжения, они несколько перекрываются для небольших (менее нескольких сотен милливолт) смещений. Например, в типичной конфигурации заземленного эмиттера NPN BJT, используемого в качестве пульсированного переключателя в цифровой логике, состояние «OFF» никогда не включает в себя соединение с обратным смещением, потому что базовое напряжение никогда не опускается ниже земли; Тем не менее, предвзятость вперед достаточно близко, чтобы нулевать, что, по сути, отсутствие текущих потоков, поэтому этот конец форвардной активной области может рассматриваться как область отсечки.

Транзисторы активного режима в цепях

Структура и использование транзистора NPN; Стрелка в соответствии с схемой

Диаграмма показывает схематическое представление транзистора NPN, подключенного к двум источникам напряжения. (То же описание применяется к транзистору PNP с обратными направлениями потока тока и приложенного напряжения.) Это приложенное напряжение приводит к тому, что нижний переход P - N стал вперед, позволяя потоку электронов излучателя в основание. В активном режиме электрическое поле, существующее между базой и коллекционером (вызванное V _CE что большинство этих электронов пересекают верхний переход P - N в коллектор, чтобы сформировать ток коллекционера _. ), приведет к тому , Остальная часть электронов рекомбинирует отверстиями, мажоритарные носители в основе, делая ток через базовое соединение, чтобы сформировать базовый ток, i _b . Как показано на диаграмме, ток излучателя, I _E , является общим током транзистора, который является суммой других терминальных токов (то есть I _E = I _B + I _C ).

На диаграмме стрелки, представляющие точку тока в направлении обычного тока - поток электронов находится в противоположном направлении стрел, поскольку электроны несут отрицательный электрический заряд . В активном режиме соотношение тока коллектора к базовому току называется усилением тока постоянного тока . Это усиление обычно составляет 100 или более, но надежные конструкции схемы не зависят от точного значения (например, см. Op-AMP ). Значение этого усиления для сигналов постоянного тока называется как $h_{\text{FE}}$и значение этого усиления для небольших сигналов называется как $h_{\text{fe}}$Полем То есть, когда происходит небольшое изменение токов, и для нового условия было достаточное время, чтобы достичь устойчивого состояния $h_{\text{fe}}$ является соотношение изменения тока коллектора к изменению базового тока. Символ $\beta$ используется для обоих $h_{\text{FE}}$ и $h_{\text{fe}}$.

Ток эмиттера связан с $V_{\text{BE}}$ экспоненциально. При комнатной температуре увеличение в $V_{\text{BE}}$ Примерно на 60 мВ увеличивает ток излучения в 10. Поскольку базовый ток приблизительно пропорционален для токов коллекционера и эмиттера, они различаются так же.

История

Биполярный точечный контактный транзистор был изобретен в декабре 1947 года В колокольчиках Thenge Laboratories Джона Бардин и Уолтера Браттейна под руководством Уильяма Шокли . Версия для соединения, известная как транзистор биполярного соединения (BJT), изобретенная Shockley в 1948 году, В течение трех десятилетий устройство выбора при разработке дискретных и интегрированных цепей . В настоящее время использование BJT снизилось в пользу технологии CMOS при разработке цифровых интегрированных цепей. Однако случайные низкопроизводительные BJT, присущие CMOS ICS, часто используются в качестве эталона напряжения полосовой зоны , датчика температуры в кремниевой зоне полос и обработки электростатического разряда .

Германия транзисторы

Германия транзистор был более распространен в 1950 -х и 1960 -х годах, но имеет большую тенденцию демонстрировать тепловой беглый . Поскольку в соединениях Германия PN более низкая передняя предвзятость , чем кремний, германия транзисторы включаются при более низком напряжении.

Методы раннего производства

Были разработаны различные методы производства биполярных транзисторов.

• Посторонний транзистор -Первый транзистор, когда-либо построенный (декабрь 1947 г.), биполярный транзистор, ограниченное коммерческое использование из-за высокой стоимости и шума.
  • Тетрод-точечный транзистор -точечный контактный транзистор с двумя излучателями. Это стало устаревшим в середине 1950 -х годов.
• Переходные транзисторы
  • Взрослый транзистор -первое биполярное переходное транзистор. Изобретен Уильямом Шокли в Bell Labs 23 июня 1948 года. Патент подан 26 июня 1948 года.
  • Транзистор сплавных сплавов -бусинки из эмиттера и сплава коллекционера, слитые для основания. Разработан в General Electric и RCA в 1951 году.
    • Микроалеочный транзистор (MAT)-высокоскоростный тип транзистора сплавного соединения. Разработано в Филко .
    • Микроалезическое транзистор (MADT)-высокоскоростной тип сплавного перекрестка транзистора, быстрее, чем MAT, диффузированный транзистор . Разработано в Филко.
    • Диффузировый транзистор после сплавы (PADT)-высокоскоростный тип сплавного перекрестка транзистора, быстрее, чем мат, диффузированный транзистор. Разработано в Philips .
  • Тетродная транзистор -высокоскоростный вариант взросления транзистора или сплав -перекресток транзистора с двумя соединениями с базой.
  • Транзистор поверхности -высокоскоростной перекрестной транзисторы. Разработано в Филко в 1953 году.
  • Транзистор поля дрифта -высокоскоростной биполярной переходной транзистор. Изобретено Гербертом Кромером в Центральном бюро телекоммуникационных технологий немецкой почтовой службы, в 1953 году.
  • Spacistor - около 1957 года.
  • Диффузионный транзистор - биполярное соединение современного типа. Прототипы Разработано в Bell Labs в 1954 году.
    • Транзистор диффузированной базы -первая реализация диффузионного транзистора.
    • Mesa Transistor - разработан в Texas Instruments в 1957 году.
    • Планарный транзистор -транзистор биполярного соединения, который сделал возможным монолитные интегрированные схемы. Разработано Джин Хоерни в Fairchild в 1959 году.
  • Эпитаксиальный транзистор -Биполярная переходная транзистор, изготовленный с использованием паразной фазы. Смотрите эпитаксию . Позволяет очень точный контроль над уровнями допинга и градиентами.

Теория и моделирование

Полосовая диаграмма для транзистора NPN в равновесии

Групповая диаграмма для транзистора NPN в активном режиме, показывающая впрыск электронов из эмиттера к основанию, и их перерастание в коллектор

BJTS можно рассматривать как два диода (P - N CouNTHES), разделяющие общую область, через которую могут пройти носители меньшинств. PNP BJT будет функционировать как два диода, которые имеют катодную область N-типа, а NPN как два диода, разделяющие область анода P-типа. Соединение двух диодов с проводами не будет создавать BJT, поскольку носители меньшинств не смогут добраться от одного P - N -соединения к другому через проволоку.

Оба типа функции BJT, позволяя небольшому входу тока в базовый элемент управления усиленным выходом из коллекционера. Результатом является то, что BJT делает хороший переключатель, который управляется его базовым входом. BJT также делает хороший усилитель, поскольку он может умножить слабый входной сигнал на примерно в 100 раз его исходную прочность. Сети BJT используются для создания мощных усилителей со многими различными приложениями.

В обсуждении ниже фокусируется на NPN BJT. В том, что называется активным режимом, напряжение базового эмоттера $V_{\text{BE}}$ и напряжение коллекционера $V_{\text{CB}}$ являются положительными, вперед смещение соединения эмиттер-базы и обратное смещение соединения коллекционеров-базы. В этом режиме электроны вводится из направленной смещенной области эмиттера N-типа в основу P-типа, где они диффундируют в качестве носителей меньшинств к коллекционеру N-типа с обратным смещением и смещены электрическим полем в обратном смещении Коллекционер -базовый соединение.

Для иллюстрации прямого и обратного смещения см. Полупроводниковые диоды .

Модели больших сигналов

В 1954 году Джуэлл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель транзисторных токов:

Эберс - Молль модель

Модель Ebers - Moll для транзистора NPN. Я _токи , я _и ; я _- базовые, коллекционеры и эмиттерные Я _я и являемся _{и я} диодными токами коллекционера и эмиттера; α _F и α _r являются вперед и обратной и обратной прирост тока общей базы.

Модель ebers - moll для транзистора PNP

Приблизительно модель Ebers - Moll для транзистора NPN в прямом активном режиме. Коллекционный диод обратный смещен, поэтому I _CD практически нулевой. Большая часть тока диода излучателя ( α _F почти 1) взята из коллекционера, обеспечивая усиление базового тока.

Токи излучения постоянного тока и коллекционеров в активном режиме хорошо смоделированы приближением к модели Ebers - Moll:

${\begin{aligned}I_{\text{E}}&=I_{\text{ES}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\\I_{\text{C}}&=\alpha _{\text{F}}I_{\text{E}}\\I_{\text{B}}&=\left(1-\alpha _{\text{F}}\right)I_{\text{E}}\end{aligned}}$

Базовый внутренний ток в основном посредством диффузии (см. Закон Фика ) и

$J_{n\,({\text{base}})}={\frac {1}{W}}qD_{n}n_{bo}e^{\frac {V_{\text{EB}}}{V_{\text{T}}}}$

где

• $V_{\text{T}}$ это тепловое напряжение $kT/q$ (приблизительно 26 мВ при 300 К ≈ комнатной температуры).
• $I_{\text{E}}$ это ток эмиттера
• $I_{\text{C}}$ это ток коллекционера
• $\alpha _{\text{F}}$ является общим базовым форвардным усилением тока короткого замыкания (от 0,98 до 0,998)
• $I_{\text{ES}}$ является током обратного насыщения диода базового эмода (по порядку 10 ⁻¹⁵ до 10 ⁻¹² ампер)
• $V_{\text{BE}}$ это напряжение базовой эмоции
• $D_{n}$ Диффузионная константа для электронов в основе P-типа
• W - базовая ширина

А $\alpha$ и вперед $\beta$ Параметры, как описано ранее. Обратный $\beta$ иногда включается в модель.

Несоответствующие уравнения Ebers - Moll, используемые для описания трех токов в любой операционной области, приведены ниже. Эти уравнения основаны на транспортной модели для биполярного переходного транзистора.

${\begin{aligned}i_{\text{C}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)-{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{B}}&=I_{\text{S}}\left[{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\\i_{\text{E}}&=I_{\text{S}}\left[\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-e^{\frac {V_{\text{BC}}}{V_{\text{T}}}}\right)+{\frac {1}{\beta _{\text{F}}}}\left(e^{\frac {V_{\text{BE}}}{V_{\text{T}}}}-1\right)\right]\end{aligned}}$

где

• $i_{\text{C}}$ это ток коллекционера
• $i_{\text{B}}$ это базовый ток
• $i_{\text{E}}$ это ток эмиттера
• $\beta _{\text{F}}$ Является ли форвардный общий прирост тока излучения (от 20 до 500)
• $\beta _{\text{R}}$ это усиление тока обратного общего эмиттера (от 0 до 20)
• $I_{\text{S}}$ ток обратного насыщения (по порядку 10 ⁻¹⁵ до 10 ⁻¹² ампер)
• $V_{\text{T}}$ это тепловое напряжение (приблизительно 26 мВ при 300 К ≈ комнатной температуры).
• $V_{\text{BE}}$ это напряжение базовой эмоции
• $V_{\text{BC}}$ это напряжение базового совокупности

Модуляция ширины базы

Основная статья: Ранний эффект

Вверху: ширина основания NPN для низкого обратного смещения коллекционеров - базы; Внизу: более узкая ширина основания NPN для большого обратного смещения коллекционеров -базы. Хешиные регионы являются истощенными регионами .

Как напряжение коллекционера -базы ( $V_{\text{CB}}=V_{\text{CE}}-V_{\text{BE}}$) варьируется, область истощения коллекционеров -базы варьируется по размеру. Например, увеличение напряжения коллекционера -базы вызывает больший обратный смещение по всему соединению коллекционеров -базы, увеличивая ширину истощения коллекторной базы и уменьшая ширину основания. Этот вариант базовой ширины часто называется ранним эффектом после того, как его искатель Джеймс М. Ранний .

Сужение базовой ширины имеет два последствия:

• Существует меньший шанс на рекомбинацию в «меньшей» базовой области.
• Градиент заряда увеличивается по всему основу, и, следовательно, ток носителей меньшинств, вводимый через развязку эмиттера, увеличивается.

Оба фактора увеличивают коллектор или «выходной» ток транзистора в ответ на увеличение напряжения коллекционера -базы.

Удар

Когда напряжение базового-коллегатора достигает определенного (специфичного для устройства) значения, граница области истощения базового-коллектор соответствует границе истощения базового эмотера. Когда в этом состоянии транзистор эффективно не имеет базы. Устройство, таким образом, теряет все усиление, когда в этом состоянии.

Модель контроля заряда Gummel-Poon

Модель Gummel -Poon является подробной моделью динамики BJT, контролируемой зарядом, которая была принята и разработана другими для более подробно объяснить динамику транзистора, чем обычно модели на основе терминалов. Эта модель также включает в себя зависимость транзистора $\beta$-Коля на уровнях постоянного тока в транзисторе, которые предполагаются, независимо от тока в модели Ebers-Moll.

Маленькие модели

Модель гибрид-PI

Основная статья: модель гибрид-PI

Модель гибрид-PI

Модель Hybrid-Pi-это модель популярной схемы , используемая для анализа небольшого сигнала и поведения переменного тока биполярного соединения и полевых транзисторов . Иногда его также называют моделью Giacoletto, потому что он был введен LJ Giacoletto в 1969 году. Модель может быть довольно точной для низкочастотных цепей и может быть легко адаптирована для более часточастотных цепей с добавлением соответствующих межэлектродных конденсаций и других паразитов. элементы.

модель H-параметра

Обобщенная модель H-параметра NPN BJT.
Замените X на топологии E , B или C для топологий CE, CB и CC соответственно.

Другая модель, обычно используемая для анализа цепей BJT,-это модель H-параметра , также известная как гибридная эквивалентная модель, тесно связанная с моделью гибрид-PI и Y-параметра двухпортором , но с использованием входного тока и выходного напряжения в качестве независимых переменных , а не входные и выходные напряжения. Эта двухпортовая сеть особенно подходит для BJT, поскольку она легко поддается анализу поведения схемы и может использоваться для разработки дополнительных точных моделей. Как показано, термин X в модели представляет собой другой свинец BJT в зависимости от используемой топологии. Для режима общего эмиттера различные символы принимают конкретные значения как:

• Терминал 1, основание
• Терминал 2, коллекционер
• Терминал 3 (общий), излучатель; давая x быть E
• я _я , базовый ток ( я _б )
• я _о , ток коллекционера ( I _C )
• V _в , напряжение базы в эмиттер ( v _be )
• V _O , напряжение коллекционера к эмиттере ( V _CE )

и H-параметры дают:

• H _IX = H _IE Для конфигурации общего числа, импеданса транзистора (соответствует базовому сопротивлению r _pi ).
• h _rx = h _re , r everse -передача, он представляет зависимость транзистора (вход) i _b - v _, которая будет кривой на значение (вывод) v _ce . Обычно он очень маленький и часто игнорируется (предполагается, что это равна нулю) при DC.
• h _fx = h _fe , «прямое» ток транзистора, иногда написанный h ₂₁ . Этот параметр, с более низким содержанием «Fe», чтобы подразумевать небольшое усиление сигнала (AC) или чаще с заглавными буквами для «Fe» (указано как H _Fe ), чтобы означать «большой сигнал» или ток DC ( β _DC или Часто просто β ), является одним из основных параметров в таблицах данных, и может быть дан для типичного тока и напряжения коллекционера или нанесен на график как функция тока коллектора. См. ниже.
• H _ox = 1/ h _OE , выходной импеданс транзистора. Параметр как _, правило, соответствует выходному допущению биполярного транзистора и должен быть перевернут, чтобы преобразовать его в импеданс.

Как показано, H-параметры имеют более низкие подписки и, следовательно, обозначают условия или анализы переменного тока. Для условий постоянного тока они указаны в верхнем случае. Для топологии CE обычно используется приблизительная модель H-параметра, которая дополнительно упрощает анализ схемы. Для этого параметры H _OE и H _Re игнорируются (то есть они устанавливаются на бесконечность и ноль соответственно). Модель H-параметра, как показано, подходит для низкочастотного анализа малого сигнала. Для высокочастотных анализов должны быть добавлены межэлектродные емкости, которые важны на высоких частотах.

Этимология H _fe

H модели относится к тому, что он является H-параметром, набором параметров, названных в результате их происхождения в Hybrid эквивалентной схемы (см. Выше). Как и во всех параметрах H, выбор нижних или столиц для букв, которые следуют «H», является значительным; Нижний случай означает параметры «малого сигнала», то есть наклон конкретной взаимосвязи; Буквы верхнего часа подразумевают «большой сигнал» или значения постоянного тока , отношение напряжений или токов. В случае очень часто используемых H _Fe :

• F от Forward тока усиления также называется текущим усилением.
• E относится к транзистору, работающему в общей конфигурации E Mitter (CE).

Таким образом, H _Fe (или HFE) относится к (общему; DC) ток коллектора, деленного на базовый ток, и является безразмерным. Это параметр, который несколько варьируется в зависимости от тока коллектора, но часто аппроксимируется как постоянная; Обычно он определяется на типичном токе и напряжении коллекционера или графику как функция тока коллектора.

Если бы заглавные буквы не использовались для использования в подписке, то есть, если бы это было написано H _Fe , параметр указывает на усиление тока малого сигнала ( AC ), то есть наклон графа тока коллектора в зависимости от базового тока в данной точке, который часто близок к значению HFE, если частота теста не высока.

Отраслевые модели

Модель специй Gummel -Poon часто используется, но она страдает от нескольких ограничений. Например, обратное расщепление диода базового эмода не фиксируется моделью SGP (Spice Gummel-Poon), ни тепловые эффекты (самообладание) или квази-насыщение. Они были рассмотрены в различных более продвинутых моделях, которые либо сосредоточены на конкретных случаях применения (Mextram, Hicum, Modella), либо предназначены для универсального использования (VBIC).

Приложения

BJT остается устройством, которое превосходит в некоторых приложениях, таких как дискретная конструкция схемы, из -за очень широкого выбора доступных типов BJT, и из -за его высокой трансдуктивности и выходной сопротивления по сравнению с MOSFET .

BJT также является выбором для требовательных аналоговых схем, особенно для очень высоких приложений, таких как радиочастотные схемы для беспроводных систем.

Высокоскоростная цифровая логика

Логика, связанная с эмиттером (ECL), используйте BJTS.

Биполярные транзисторы могут быть объединены с МОСФЕТАМ в интегрированной цепи, используя процесс изготовления пластин BICMOS для создания цепей, которые используют преимущества прочности применения обоих типов транзистора.

Усилители

Основная статья: электронный усилитель

α Параметры транзистора и β характеризуют ток прирост BJT. Именно этот усиление позволяет использовать BJTS в качестве строительных блоков электронных усилителей. Три основных топологии усилителя BJT:

• Общий излучатель
• Общая база
• Общий коллекционер

Датчики температуры

Основная статья: датчик температуры кремния полосовой зоны

Из-за известной температуры и зависимости тока напряжения соединения с первым смещением, BJT можно использовать для измерения температуры путем вычитания двух напряжений в двух разных токах смещения в известном соотношении.

Логарифмические преобразователи

Поскольку напряжение базового эмоционала варьируется в зависимости от логарифма токов базовой и эмоции и коллекционера, BJT также может использоваться для вычисления логарифмов и антилогарифмов. Диод также может выполнять эти нелинейные функции, но транзистор обеспечивает большую гибкость схемы.

Лавины -пульсные генераторы

Транзисторы могут быть преднамеренно изготовлены с более низким коллекционером до напряжения разбивки излучателя, чем у коллектора до базового напряжения разбивки. Если соединение эмиттер -базы является обратным смещением, напряжение излучателя коллекционера может сохраняться при напряжении чуть ниже разбивки. Как только базовое напряжение разрешается подниматься, и возникает текущие потоки лавины , а ионизация в области истощения базы коллекционера быстро затопляет основание носителями и полностью включает транзистор. Пока импульсы достаточно короткие и достаточно редки, чтобы устройство не повреждено, этот эффект может быть использован для создания очень резких падающих краев.

Специальные лавинные транзисторные устройства создаются для этого приложения.

Уязвимости

Воздействие транзистора на ионизирующее излучение вызывает повреждение радиации . Излучение вызывает создание «дефектов» в базовой области, которые действуют как центры рекомбинации. Результирующее снижение срока службы носителя меньшинства вызывает постепенную потерю прибыли транзистора.

Транзисторы имеют «максимальные оценки», включая рейтинги мощности (по существу, ограниченные самостоятельным набором), максимальные токи коллектора и базовых токов (как непрерывные/постоянные рейтинги, так и пиковые оценки), так и рейтинги напряжения разбивки , за исключением того, что устройство может не сработать или, по крайней мере, плохо выполнять. Полем

В дополнение к нормальным рейтингам разрушения устройства, мощность BJT подчиняется режиму отказа, называемому вторичным расщеплением , в котором чрезмерный ток и нормальные недостатки в кремниевой матрице вызывают части кремния внутри устройства, чтобы стать непропорционально горячее, чем другие. Электрическое удельное сопротивление легированного кремния, как и другие полупроводники, имеет отрицательный коэффициент температуры , что означает, что он проводит более ток при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть матрицы проводит наиболее ток, что приводит к увеличению его проводимости, что затем приводит к тому, что он снова станет постепенно горячее, пока устройство не сработает внутри. Тепловой процесс бега, связанный с вторичным расщеплением, после запуска, происходит почти мгновенно и может катастрофически повредить пакет транзистора.

Если соединение эмиттер -базы переключается на режим Avalanche или Zener и потоки заряда в течение короткого периода времени, текущий усиление BJT может быть навсегда разлагается, так как излучатель меньше коллектора и не может рассеять значительную мощность. Это обычный механизм разрушения ESD в устройствах с низким напряжением.

Смотрите также

• Биполярная транзисторская смещение
• ГУМЕЛЬ СУДЬЯ
• Биполярный транзистор с изолированным затвором
• Несколько эмиттер-транзистор

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с биполярными переходными транзисторами в Wikimedia Commons