Біполярний транзистор
 |
PNP |
 |
NPN |
позначення
транзисторів PNP-
та NPN типів
.
Біполярний транзистор — напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, 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 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 донорами, а база — акцепторами. В транзисторі PNP типу — навпаки.
Зміст |
Історія винаходу [ред.]
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 [ред.]
На рисунку праворуч схематично показана будова біполярного транзистора NPN типу. 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 [ред.]
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.
Класифікація [2] [ред.]
Транзистори класифікуються 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.
Позначення типу транзистора [ред.]
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.
| Підклас транзисторів | Позначення |
|---|---|
Транзистори малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3 Вт):
|
2 3 |
Транзистори середньої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором більше 0,3 Вт, але не більше 1,5 Вт):
|
5 6 |
Транзистори великої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором більше 1,5 Вт):
|
8 9 |
Режими роботи транзистора[3] [ред.]
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 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.]
Активному режиму роботии 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 проттрікає 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.]
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 [ред.]
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.]
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 [ред.]
Характеристики біполярних транзисторів можна розділити на вхідні, перехідні, вихідні і характеристики керування.
Використання [ред.]
Біполярні транзистори використовуються в підсилювачах, генераторах, перетворювачах сигналу, логічних схемах.
Схеми включення біполярних транзисторів [ред.]
Існує три основні схеми включення транзисторів. При цьому один з електродів транзистора є загальною точкою входу і виходу каскаду. Треба пам’ятати, що під входом (виходом) розуміють точки, між якими діє вхідна (вихідна) змінна напруга. Основні схеми включення називаються схемами зі спільним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) і спільним колектором (СК).
Схеми підключення [ред.]
Будь-яка схема підключення транзистора характеризується двома основними показниками:
- коофіцієнт підсилення по струму n=Iвих/Iвх
- вхідний опір Rвх=Uвх/Iвх
Схема зі спільною базою [ред.]
- Коефіцієнт підсилення по струму: Iвих/Iвх=Iк/Iе=α [α<1]
- Вхідний опір Rвх=Uвх/Iвх=Uбе/Iе.
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
Схема зі спільним емітером [ред.]
Вихідні дані
- Коефіцієнт підсилення по струму: Iвих/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iе-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]
- Вхідий опір: Rвх=Uвх/Iвх=Uбе/Iб
Переваги:
- Великий коефіцієнт підсилення по струму
- Великий коефіцієнт підсилення по напрузі
- Найбільше підсилення потужності
- Можна обійтись одним джерелом живлення
- Вихідна напруга інвертується відносно вхідної
Недоліки
- Гірші температурні та частотні властивості в порівнянні зі схемою зі спільною базою
Схема зі спільним колектором (емітерний повторювач) [ред.]
Вихідні дані
- Коефіцінт підсилення по струму: Iвих/Iвх=Iе/Iб=Iе/(Iе-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1]
- Вхідний опір: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбе+Uке)/Iб
Переваги
- Великий вхідний опір
- Малий вихідний опір
Недоліки
- Коефіцієнт підсилення по напрузі менше 1
Дивіться також [ред.]
Джерела [ред.]
- ↑ Електротехнічні товари: Словник термінів
- ↑ Терещук Р. М., Терещук К. М., Седов С. А. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства. — Київ: Наукова думка, 1988. С. 183—191.
- ↑ Конспект курса “Электронные твердотельные приборы”(рос.)
 |
Ця стаття потребує додаткових посилань на джерела для поліпшення її верифіковуваності. (червень 2010) |
 |
Це незавершена стаття з фізики. Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її. |
|
|||||||||||||||||||||||
