Биполярные транзисторы

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ГОРОДА МОСКВЫ

«КОЛЛЕДЖ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

имени Героя Советского Союза М.Ф. Панова»

 

Реферат

Тема: "Биполярные транзисторы"

Учебный предмет: Основы электротехники

Выполнил обучающиеся

 Иливахина Виктория  Владимировна   
Гутенко Марина Алексеевна

Курс 2 группа СТС - 113/15

Преподаватель: Е.А. Степанова

Дата отправки на проверку «___»____2015 г.

Возвращена с проверки «____»_____2015 г.

Оценка ______________________________

Подпись преподавателя________________

 

 

 

 

 

                                  

Москва, 2015

 

Содержание:

1. Введение
2. Общие сведения
3. Принцип работы транзистора
4. Принцип действия транзистора в качестве усилителя
5. Емкости транзистора
6. Параметры транзистора как элемента цепи
7. Технологические разновидности биполярных транзисторов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение:

В 1948г. американские ученые Дж.Бардин и В.Браттейн создали полупроводниковый триод, или транзистор. Это событие имело громадное значение для развития полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних: их можно использовать не только для усиления и генерации переменного тока, но и в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки). Слово «транзистор» произошло от английского словосочетания «transfer resistor» - преобразователь сопротивления.

Появление первых образцов биполярных транзисторов стимулировало проведение исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию различных типов таких приборов во многих странах мира, в том числе и в Советском Союзе, ученые которого внесли существенный вклад в разработку этой проблемы. В настоящее время биполярный транзистор является одним из наиболее важных полупроводниковых приборов. Он используется в радиоэлектронике в качестве дискретного активного элемента, а в планарном исполнении является основой для создания интегральных твердотельных схем. В свою очередь, твердотельные схемы являются главными элементами современного поколения ЭВМ и других сложных радиоэлектронных устройств.

 

 

 

 

 

 

 

Общие сведения:

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трёх областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности

Эти области разделяются электронно-дырочными переходами(э-д переходами). Особенность транзистора состоит в том, что между его э-д переходами существует взаимодействие - ток одного из электродов может управлять током другого. Такое управление возможно, потому что носители заряда, инжектированные через один из э-д переходов могут до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимиости от этого различают три режима работы транзистора:

 

Эти области разделяются электронно-дырочными переходами(э-д переходами). Особенность транзистора состоит в том, что между его э-д переходами существует взаимодействие - ток одного из электродов может управлять током другого. Такое управление возможно, потому что носители заряда, инжектированные через один из э-д переходов могут до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип работы транзистора:

Когда ключ разомкнут, ток в цепи эмиттера(далее Э) отсутствует. При этом в цепи коллектора(К) имеется небольшой ток, называемый обратным током К и обозначаемый Iкбо. Этот ток очень мал,так как при обратном смещении К перехода потенциальный барьер велик и непреодолим для основных носителей- дырок коллектора и свободных электронов базы. К легирован примесью значительно сильнее, чем база. Вследствие этого неосновных носителей в коллекторе значительно меньше, чем в базе, и обратный ток К создаётся главным образом неосновными носителями: дырками, генерируемыми в базе в результате тепловых колебаний, и электронами, генерируемыми в К.

Замыкание ключа в цепи Э приводит к появлению тока в этой цепи, так как смещение эмиттерного p-n перехода в прямом направлении понижает потенциальный барьер для дырок, переходящих из Э в Б, и для электронов переходящих иэ Б в Э. Мы рассматриваем только дырки так как только они создают пририщение коллекторного тока. Говорят что дырки инжектируются в базу.

В базе обыкновенного транзистора электрическое поле отсутствует, поэтому дальнейшее движение инжектированых дырок определяется проецессом диффузии. Так как толщина базы транзистора много меньше длины свободного пробега дырки до рекомбинации, то большая часть инжектированных дырок достигает коллекторного перехода, благодаря чему коллекторный ток усиливается. Лишь очень небольшая часть дырок рекомбинирует с электронами базы. Таким образом величина тока через правый р-n переход практически полностью определяется величиной тока через левый переход.

Характерной особенностью рассматриваемых транзисторов является существование двух типов носителей заряда(электронов и дырок), участвующих в работе прибора. В связи с этим полупроводниковые проиборы этого получили название биполярных транзисторов.

Семейство выходных характеристик транзистора показано при некоторых постоянных значениях Э тока:

 
Для рассматриваемого p-n-p транзистора принято отрицательное напряжение К-Б откладывать вправо по оси абцисс.

Выходные характеристики, соответствующие отрицательным значениям напряжения К-Б, в правом верхнем квадранте идут почти горизонтально, но с небольшим подъёмом. Чтобы объяснить это рассмотрим потенциальную диаграмму транзистора(цветом выделены обеднённые слои):

 
Так как Э и К сильнее легированы примесью, чем база то обеднённые слои сосредоточены в основном в базе.

Эффективная толщина базы Wэф, т.е расстояние между границами обеднённых слоёв, меньше толщины базы W. Увеличение отрицательного напряжения на коллекторе расширяет обеднённый слой коллекторного перехода и, следовательно, вызывает уменьшение эффективной толщины базы.

Это явление носит название эффекта Эрли. Модуляция толщины базы объясняет некоторый подъём выходных характеристик при увеличении отрицательного напряжения К-Б. Коллекторный ток при этом увеличивается так как меньшая часть дырок теряется в базе вследствие рекомбинации с электронами.

 

 

Принцип действия транзистора в качестве усилителя:

Транзистор - это полупроводниковый прибор, имеющий два р-n-перехода,расположенных в одном полупроводниковом монокристалле на расстоянии, значительно меньшем диффузионной длины неосновных носителей заряда. На рис. 1 показано включение транзистора типа р-п-р по схеме с общей базой.

 

Левый р-п-переход называется эмиттерным переходом, а его р-область - эмиттером. Правый р-n-переход называется коллекторным переходом, а его p-область - коллектором. Заключенная между эмиттером и коллектором n-область называется базой транзистора. Транзистор, у которого эмиттер и коллектор n-типа, а база p-типа, называется транзистором n-p-n-типа. При работе транзистора p-n-p-типа в режиме усиления эмиттерный переход включен в пропускном направлении и инжектирует дырки в базу, откуда они попадают в цепь обратносмещенного коллекторного перехода. Поскольку толщина базы транзистора W значительно меньше диффузионной длины дырок Lp, то концентрация инжектированных эмиттером дырок при пролете через базу почти не изменяется. Таким образом, сила дырочного тока в коллекторной цепи Iрк приблизительно равна силе дырочного тока в эмиттерной цепи Ipэ. Ток насыщения коллекторного перехода мал, и им можно в первом приближении пренебречь по сравнению с Ipк. Поскольку коллекторный переход смещен в обратном направлении, то его сопротивление велико, что позволяет включать в коллекторную цепь большое сопротивление нагрузки Rн без заметного изменения коллекторного тока. При этом, конечно, Rн должно быть значительно меньше сопротивления коллектора. В связи с отмеченными выше обстоятельствами относительно малое изменение падения напряжения на эмиттером переходе, сопротивление которого мало, вызовет большое изменение падения напряжения на сопротивлении нагрузки ( V = Ipк * Rн ) при почти одинаковом изменении силы тока в эмиттерной и коллекторной цепях. В результате резкого различия входного и выходного сопротивлений транзистор осуществляет усиление по мощности.

Токи в транзисторе:

В результате снижения потенциального барьера на эмиттерном переходе из эмиттера в базу начинается диффузионное движение основных носителей.Так как дырок(электронов) в эмиттере(базе) много больше,чем в базе(эмиттере), то коэффициент инжекции весьма высок.Концетрация дырок в базе увеличивается.Появившийся вблизи эмиттерного перехода объемный положительный заряд почти мнгновенно компенсируется зарядом электронов входящих в базу от источника Uэб.Цепь тока Эмиттер-База замкнута. Электроны устремившиеся в базу создают вблизи эмиттерного перехода объемный отрицательный заряд.Около перехода образуется область повышенной концетрации дырок и электронов.Они начинают диффундировать в сторону коллектора.Так как база узкая, то дырки (неосновные носители) не успевают прорекомбинировать и ,попадая в ускоряющее поле коллекторного перехода , втягиваются в коллектор.Этот процесс называется экстракция. Электроны же, число которых равно числу ушедших в коллектор дырок, устремляются в базовый вывод. Цепь коллектор-база замкнута.

Iэ = Iк + Iб 

Iэ - ток в цепи эмиттера,

Iк - ток в цепи коллектора,

Iб - ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет ток

Iэ = Iэр + Iэn + Iэr,

где Iэр - ток инжекции дырок из эмиттера в базу,Iэn - ток инжекции электронов из базы в эмиттер, Iэr - ток рекомбинации в эмиттерном переходе.

Iобр = Io + Ig + Iу,

где Io -т епловой ток,Ig - ток генерации,Iу - ток утечки.

Iкр = Iэр - Iбr.

 

 

 

 

 

 

 

 

Емкости транзистора:

При рассмотрении схемы замещения транзистора было установлено, что его p-n переходы имеют емкости, которые в схеме замещения учтены конденсаторами Сэ (емкость эмиттерного перехода) и Ск (емкость коллекторного перехода), причем эти емкости шунтируют сопротивление эмиттера Rэ и коллектора Rк. С увеличением рабочей частоты емкостные сопротивления эмиттера и коллектора уменьшаются и их шунтирующее действие возрастает.

Исследование этих емкостей необходимо для изучения свойств транзисторов, работающих на высоких и сверхвысоких частотах.При рассмотрении емкости p-n перехода было установлено,что она складывается из барьерной емкости Сб, зависящей от объемного заряда в области p-n перехода, и из диффузионной Сд ,зависящей от тока диффузии и времени жизни носителей.Выражения,выведенные для расчета емкости p-n перехода диодов,могут быть использованы при рассмотрении транзисторов.

Для суммарных емкостей Ск и Сэ имеем

Ск = Скб + Скд, Сэ = Сэб + Сэд,

где Скб,Сэб - барьерные емкости коллекторного и эмиттерного переходов; Скд,Сэд - диффузионные емкости коллекторного и эмиттерного переходов.

 

Диффузионная емкость коллектоного перехода обусловлена приращением заряда неравновесных носителей в базе,вызываемым модуляцией толщины базы.Для большинства транзисторов выполняется соотношение Скб >> Скд,поэтому емкость коллектора принимаем равной барьерной Ск =С кб. Для ее определения имеем формулу

                                                              

 

 

 

Аналогично для эмиттерного перехода получаем значение

Наряду с барьерной емкостью в транзисторе имеет место диффузионная емкость, обусловленная изменением заряда неравновесных носителей при приращении напряжения на эмиттерном переходе(при постоянном коллекторном напряжении):

                                    

 

Тогда  

 

 

                                                

где tд - среднее время диффузии.

Емкость Сэд значительно превышает Скд , так как приращение Uэб влияет непосредственно на величину заряда , а приращение Uкб влияет на заряд косвенно благодаря модуляции толщины базы.

 

 

 

 

 

 

Параметры транзистора как элемента цепи:

Транзистор является управляемым элементом цепи. Если на входе транзистора нет управляющего сигнала , то является пассивным элементом. Если к входу транзистора приложено переменное напряжение ,то транзистор приобретает свойства активного элемента и отдаёт мощность нагрузке. В усилительном режиме на входе транзистора действует переменное напряжение, поэтому он является активным четырёхполюсником.

 

 

Если переменные напряжения на переходах транзистора достаточно малы, токи в нём оказываются линейными функциями этих напряжений. Транзистор можно рассматривать как линейный четырёхполюсник.

Переменные величины i1, u1, i2, u2, характеризующие электрические свойства транзистора, взаимно связаны. Если любые две из них заданы, то оставшиеся определяются однозначно по параметрам транзистора. За независимые переменные можно принять две любые из этих величин, а две другие - представить в виде функции независимых переменных.

 

 

 

 

 

Технологические разновидности биполярных транзисторов: