Кіріспе

Электрондар мен тесіктерді заряд тасымалдаушы ретінде пайдаланатын транзистор. Биполярлы тоқпен қосылған транзистор (BJT) – заряд тасымалдаушы ретінде электрондар мен электрон тесіктерін пайдаланатын транзистор түрі. Керісінше, бірполярлы транзистор, мысалы, өріс эффектісі транзисторы (FET), тек бір түрдегі заряд тасымалдаушыны қолданады. Биполярлы транзистордың бір полюсіне кішкентай ток жіберілген кезде, ол транзистордың екі полюсі арасындағы әлдеқайда үлкен ток ағынын басқарады, бұл құрылғыны күшейтуге немесе коммутациялауға мүмкіндік береді. BJT екі жартылай өткізгіш түрі – n және p типтері арасындағы екі pn-қосылысын пайдаланады, олар материалдың бір кристалындағы аймақтар болып табылады. Қосылыстар материалдың допингін өсіру кезінде өзгерту, қорытпалы қосылыстарды жасау үшін металл кешектерін енгізу, немесе n және p типті допингтік заттарды кристаллға тарату сияқты әдістер арқылы жасалуы мүмкін. Қосылыс транзисторларының жоғары болжамдылығы мен тиімділігі бастапқы нүктелік контактілі транзисторларды жылдам ығыстырды. Тарату транзисторлары, басқа компоненттермен бірге, аналогтық және цифрлық функцияларды орындайтын интегралдық схемалардың құрауыштары болып табылады. Бір схемада жүздеген биполярлы тоқпен қосылған транзисторларды өте төмен құнмен жасауға болады. Биполярлы транзисторлы интегралдық схемалар мейнфреймдер мен миникомпьютерлердің негізгі активті құрылғылары болды, бірақ қазіргі көптеген компьютерлік жүйелер өріс эффектісі транзисторына (FET) сүйенетін толықтырылған металл-оксидті жартылай өткізгіш (CMOS) интегралдық схемаларын қолданады. Биполярлы транзисторлар әлі де сигналдарды күшейту, коммутациялау және BiCMOS қолданатын аралас сигналды интегралдық схемаларда қолданылады. Арнайы түрлері жоғары кернеулі коммутаторларға, радиожиілікті (RF) күшейткіштерге немесе жоғары токтарды коммутациялауға қолданылады.

Қазіргі бағыттағы конвенциялар

Конвенция бойынша, схемалардағы ток бағыты оң зарядтың қозғалысын көрсететін бағыт ретінде бейнеленеді. Бұл – конвенциялық ток. Дегенмен, металл өткізгіштеріндегі ток көбінесе электрондардың ағынынан туындайды. Электрондар теріс зарядталғандықтан, олар конвенциялық ток бағытына қарама-қарсы қозғалады. Екінші жағынан, биполярлық транзистордың ішінде ток оң зарядталған бос орындар мен теріс зарядталған электрондардан тұруы мүмкін. Осы мақалада ток белгілері конвенциялық бағытта көрсетілген, бірақ бос орындар мен электрондардың қозғалысын көрсететін жазулар транзистор ішіндегі нақты бағытты көрсетеді.

Жебе бағыты

Биполярлы транзисторлардың символындағы жебе негіз бен эмиттер арасындағы p-n торабын және дәстүрлі ток қозғалатын бағытты көрсетеді.

Функция

BJT үш негізгі терминал аймақтарының допингтік түрлеріне негізделген PNP және NPN типтері ретінде кездеседі. NPN транзисторы жұқа p-допингталған аймақты бөлісетін екі жартылай өткізгіш түйіннен тұрады, ал PNP транзисторы жұқа n-допингталған аймақты бөлісетін екі жартылай өткізгіш түйіннен тұрады. N типті – жылжымалы электрондарды қамтамасыз ететін қоспалармен (мысалы, фосфор немесе мырышпен) допингталған, ал p типті – электрондарды оңай қабылдайтын тесіктерді қамтамасыз ететін қоспалармен (мысалы, бормен) допингталған. BJT-дегі заряд ағымы заряд тасымалдаушыларының (электрондар мен тесіктердің) екі аймақ арасындағы әртүрлі заряд тасымалдаушы концентрациясының диффузиясына байланысты. BJT аймақтары эмитер, негіз және коллектор деп аталады. Дискретті транзистордың осы аймақтарға қосылу үшін үш қосымшасы бар. Әдетте, эмитер аймағы басқа екі қабатқа қарағанда күштірек допингталған, ал коллектор негізге қарағанда әлсіз допингталған (әдетте он есе әлсіз). Дизайн бойынша, BJT коллекторының көп бөлігі күшті допингталған эмитерден негізге енгізілген заряд тасымалдаушыларының ағынынан туындайды, онда олар азшылық тасымалдаушылар (NPN-де электрондар, PNP-де тесіктер) болып табылады және коллекторға қарай диффузия жасайды, сондықтан BJT-лер азшылық тасымалдаушы құрылғылары ретінде жіктеледі. Типик жұмыс істеу кезінде, негіз-эмитерлік түйін алға қарай бұрылады, яғни түйіннің p-допингталған жағы n-допингталған жағына қарағанда оң потенциалға ие, ал негіз-коллекторлық түйін кері бұрылады. Негіз-эмитерлік түйінге алға қарай бұрылған кезде, термиялық түрде пайда болатын тасымалдаушылар мен эмитерлік тозу аймағының керітетін электр өрісі арасындағы тепе-теңдік бұзылады. Бұл термиялық қоздырылған тасымалдаушыларға (NPN-де электрондар, PNP-де тесіктер) эмитерден негіз аймағына енуге мүмкіндік береді. Бұл тасымалдаушылар эмитер маңындағы жоғары концентрациялы аймақтан коллектор маңындағы төмен концентрациялы аймаққа қарай негіз арқылы диффузиялық ток тудырады. Коллектор-негіз түйініне жеткенше қайта бірігуге ұшырайтын тасымалдаушылардың үлесін азайту үшін транзистордың негіз аймағы жеткілікті жұқа болуы керек, сондықтан тасымалдаушылар жартылай өткізгіштің азшылық тасымалдаушының өмір сүру уақытынан әлдеқайда аз уақытта диффузиялай алады. Төмен допингталған негіздің болуы қайта бірігу жылдамдығының төмен болуын қамтамасыз етеді. Атап айтқанда, негіздің қалыңдығы тасымалдаушылардың диффузиялық ұзындығынан әлдеқайда аз болуы керек. Коллектор-негіз түйіні кері бұрылған, сондықтан коллектордан негізге ең аз тасымалдаушы енгізіледі, бірақ эмитерден негізге енгізілген және коллектор-негіз тозу аймағына жету үшін диффузиялайтын тасымалдаушылар тозу аймағындағы электр өрісімен коллекторға тартылады. Жұқа ортақ негіз және коллектор-эмитер допингінің асимметриясы – қатар қосылған екі жеке диодтан биполярлы транзисторды ажырататын ерекшелік.

Кернеуді, ток пен зарядты басқару

Коллектор-эмиттер тогы негіз-эмиттер тогымен (токты басқару) немесе негіз-эмиттер кернеуімен (кернеуді басқару) басқарылатындығын қарастыруға болады. Бұл көзқарастар p-n торабының (диодтың) әдеттегі экспоненциалды ток-кернеу қисығымен байланысты. Коллектор тогының түсіндірмесі базалық аймақтағы азшылық тасымалдаушылардың концентрация градиенті болып табылады. Төмен деңгейлі инъекцияға байланысты (қолданыстағы көпшілік тасымалдаушыларға қарағанда артық тасымалдаушылардың мөлшері аз болғанда), амбиполярлы тасымалдану жылдамдықтары (артық көпшілік және азшылық тасымалдаушылар бірдей жылдамдықпен ағынғанда) іс жүзінде артық азшылық тасымалдаушылармен анықталады. Транзистордың жұмыс принципін сипаттайтын толыққанды транзистор модельдері, мысалы, Gummel-Poon моделі, транзистордың мінез-құлқының толыққанды түсіндірілуі үшін осы зарядтың таралуын нақты көрсетеді. Зарядты басқару көзқарасы фототранзисторларды оңай басқарады, онда базалық аймақтағы азшылық тасымалдаушылар фотондардың жұтылуы арқылы пайда болады, сондай-ақ базалық аймақтағы зарядтың рекомбинациясына байланысты өшіру немесе қалпына келтіру уақытының динамикасын басқарады. Дегенмен, базалық заряд терминалдарда көрінетін сигнал болмағандықтан, схемаларды жобалау және талдау кезінде ток пен кернеуді басқару көзқарастары көбінесе қолданылады. Аналогтық схемаларды жобалауда токпен басқару көзқарасы кейде қолданылады, өйткені ол шамамен сызықтық. Яғни, коллектор тогы негіз тогынан шамамен бірнеше есе көп. Кейбір қарапайым тізбектерді негіз-эмиттер кернеуі шамамен тұрақты деп есептеу және коллектор тогы негіз тогынан β есе көп деп санау арқылы жобалауға болады. Алайда, өндірістегі BJT тізбектерін дәл және сенімді жобалау үшін кернеуді басқару моделі (мысалы, Ebers-Moll моделі) қажет. Екі кең таралған HBT – кремний-германий және алюминий-галлий арсениді, бірақ HBT құрылымы үшін жартылай өткізгіштердің алуан түрлері қолданылуы мүмкін. HBT құрылымдары әдетте MOCVD және MBE сияқты эпитаксиялық әдістермен өсіріледі.

Айналымдағы белсенді режимдегі транзисторлар

Диаграммада екі кернеу көзіне қосылған NPN транзистордың схемалық бейнесі көрсетілген. (Осы сипаттама ток ағыны мен қолданылатын кернеу бағыттары кері бұрылған PNP транзисторларына да қолданылады.) Бұл қолданылатын кернеу төменгі p–n түйісудің тікелей бағытта жұмыс істеуіне әкеледі, бұл эмиттерден базаға электрондардың ағылуына мүмкіндік береді. Белсенді режимде база мен коллектор арасындағы электр өрісі (VCE-ге байланысты) осы электрондардың көпшілігін коллектордың жоғарғы p–n түйісі арқылы коллекторға өтуге мәжбүр етеді, осылай коллектор тогы IC пайда болады. Қалған электрондар базадағы көпшілік тасымалдаушылар – тесіктермен бірігіп, база тогы IB құру үшін база қосылысы арқылы ток жасайды. Диаграммада көрсетілгендей, эмиттер тогы IE – транзистордың жалпы тогы, ол басқа қосылымдардың тоқтарының қосындысына тең (яғни IE = IB + IC). Диаграммадағы ток бағытын көрсететін жебелер конвенциялық ток бағытын көрсетеді – электрондардың ағыны жебелерге қарама-қарсы бағытта, себебі электрондар теріс электр зарядын тасымалдайды. Белсенді режимде коллектор тогының база тогына қатынасы тұрақты ток күшейту коэффициенті деп аталады. Бұл күшейту коэффициенті әдетте 100 немесе одан да көп болады, бірақ сенімді схемалардың дизайны нақты мәнге тәуелді емес (мысалы, операциялық күшейткішті қараңыз). Тұрақты ток сигналы үшін бұл күшейту коэффициентінің мәні деп белгіленеді, ал кішкентай сигналы үшін – деп белгіленеді. Яғни, токта кішкентай өзгеріс болғанда және жаңа жағдай тұрақты күйге келгенге дейін жеткілікті уақыт өткенде, коллектор тогындағы өзгерістің база тогындағы өзгеріске қатынасы болады. Символды Джон Бардин мен Уолтер Браттейн Уильям Шоклидің басшылығымен Bell Telephone Laboratories-де және одан тыс жерлерде де қолданды. 1948 жылы Шокли ойлап тапқан биполярлы тоқтандырғыш транзистор (BJT) үш онжылдық бойы дискретті және интегралдық схемаларды жобалаудағы басты құрылғы болып табылды. Бүгінгі күні цифрлық интегралдық схемаларды жобалауда BJT-нің қолданылуы CMOS технологиясына қарағанда азайды. Дегенмен, CMOS интегралдық тізбектеріндегі төмен өнімділікке ие BJT-лер жиі кернеуді тұрақтандыруға, кремнийлі температура даткіштеріне және электростатикалық разрядты басқаруға қолданылады.

Германиум транзисторлары

Германий транзисторы 1950 және 1960 жылдары жиі қолданылды, бірақ олар жылулық қашуға көбірек бейім. Германийдің p-n тораптары кремнийге қарағанда төменгі тікелей кернеуде жұмыс істейтіндіктен, германий транзисторлары төменгі вольттажда қосылады.

Теория және модельдеу

BJT-ны азшылық тасымалдаушылар өте алатын ортақ аймақты бөлісетін екі диод (pn-түйіспе) ретінде қарастыруға болады. PNP BJT N-типті катод аймағын бөлісетін екі диод сияқты, ал NPN P-типті анод аймағын бөлісетін екі диод сияқты жұмыс істейді. Екі диодты сыммен қосу BJT жасамайды, себебі азшылық тасымалдаушылар сым арқылы бір pn-түйінінен екіншісіне өте алмайды. Екі типті де BJT базаға кіретін кішкене токты коллектордан шығарылатын күшейтілген сигналға айналдырады. Нәтижесінде BJT өзінің базалық кірісімен басқарылатын жақсы коммутатор болады. BJT сонымен қатар жақсы күшейткіш болады, өйткені ол әлсіз кіріс сигналын бастапқы күшінен 100 есеге арттыра алады. BJT желілері көптеген түрлі қолданбалары бар қуатты күшейткіштерді жасау үшін қолданылады. Төмендегі талқылауда назар NPN BJT-ге аударылады. Белсенді режимде, база-эмиттерлік кернеу және коллектор-базалық кернеу оң болады, эмитер-базалық түйіспе алға қарай бұрылып, коллектор-базалық түйіспе кері бұрылады. Бұл режимде электрондар алға қарай бағытталған N-типті эмитерлік аймақтан P-типті базаға жіберіледі, онда олар кері бағыттағы N-типті коллекторға азшылық тасымалдаушылар ретінде диффузия жасайды және кері бағыттағы коллектор-базалық түйіспедегі электр өрісімен сүрініп кетеді. Алға және кері бұрылудың мысалы үшін жартылай өткізгіш диодтарды қараңыз.

Үлкен сигнал үлгілері

1954 жылы Джуэлл Джеймс Эберс және Джон Л. Молл транзистор тогының математикалық моделін енгізді:

Пунч-три

Базалық-коллекторлық кернеуі белгілі бір (құрылғыға тән) мәнге жеткенде, базалық-коллекторлық кедергі аймағының шекарасы базалық-эмиттерлік кедергі аймағының шекарасымен кездеседі. Бұл жағдайда транзистордың базасы тиімді түрде болмайды. Сондықтан құрылғы осы күйде барлық күшейту қабілетін жоғалтады.

GummelPoon зарядтауды басқару моделі

Гуммель-Пуун моделі – BJT динамикасының егжей-тегжейлі зарядталған моделі болып табылады, ол транзистор динамикасын терминалдық модельдерге қарағанда толыққанды түсіндіру үшін қабылданып, басқалармен дамытылды. Бұл модельде транзистордың шамалары транзистордағы тұрақты ток деңгейлеріне тәуелділігі де ескеріледі, ал Эберс-Молл моделінде бұл шамалар токтан тәуелсіз деп қарастырылады.

Гибридті-пи моделі

Гибридті пи моделі – биполярлық тораптық және өріс эффектілі транзисторлардың кішкентай сигналдық және айнымалы ток мінез-құлқын талдауға қолданылатын танымал схема моделі. Кейде ол 1969 жылы L. J. Giacoletto енгізгендіктен Giacoletto моделі деп те аталады. Бұл модель төмен жиілікті тізбектер үшін өте дәл болуы мүмкін, ал тиісті электродтар аралық сыйымдылықтары мен басқа да паразиттік элементтерді қосу арқылы жоғары жиілікті тізбектерге оңай бейімделуге болады.

hFE сөзінің этимологиясы

h - бұл h параметрін білдіреді, гибридтік эквиваленттік схема моделіндегі шығу тегімен аталған параметрлер жиынтығы (жоғарыда қараңыз). Барлық h параметрлері сияқты, "h" әрпінен кейін келетін әріптерді кіші немесе үлкен әріптермен жазу маңызды; кіші әріптер "кішкентай сигнал" параметрлерін, яғни нақты қатынастың еңістігін білдіреді; үлкен әріптер "үлкен сигнал" немесе DC мәндерін, яғни кернеулердің немесе токтардың арақатынасын білдіреді. Көп қолданылатын hFE жағдайында: F – тікелей ток күшейтуінен, сондай-ақ ток күшеюі деп те аталады. E – транзистордың жалпы эмиттерлік (CE) конфигурациясында жұмыс істеуін білдіреді. Олай болса, hFE (немесе hFE) – (жалпы; DC) коллектор тогының базалық токқа бөлінуі, бұл өлшемсіз шама. Бұл параметр коллектор тогына байланысты біршама өзгереді, бірақ көбінесе тұрақты шама ретінде есептеледі; әдетте коллектордың белгілі бір тогы мен кернеуінде көрсетіледі немесе коллектор тогының функциясы ретінде графикте бейнеленеді. Егер жазуда үлкен әріптер қолданылмаса, яғни hfe деп жазылса, бұл параметр кішкентай сигналдың (AC) ток күшеюін, яғни коллектор тогы мен базалық ток графигінің белгілі бір нүктедегі еңістігін көрсетеді, бұл жиілік жоғары болмаса, hFE мәніне жақын болады.

Өнеркәсіптік үлгілер

Gummel–Poon SPICE моделі көбінесе қолданылады, бірақ ол бірнеше кемшіліктерге ие. Мысалы, база-эмиттерлік диодтың кері бұзылуы SGP (SPICE Gummel–Poon) моделінде көрсетілмейді, сондай-ақ жылу эффектілері (өздік қыздыру) немесе жартылай қанығу да ескерілмейді. Бұл мәселелерге түрлі жетілдірілген модельдерде тоқталып, олар нақты қолдану жағдайларына (Mextram, HICUM, Modella) немесе универсалды қолдануға (VBIC) бағытталған.

Қолданбалар

BJT кейбір қолдануларда, мысалы дискретті тізбектерді жобалауда, қол жетімді BJT түрлерінің өте кең таңдауының және MOSFET-термен салыстырғанда жоғары өткізгіштік пен шығыс кедергісінің арқасында үздік құрылғы болып қала береді. BJT сонымен қатар қатал аналогтық тізбектер үшін, әсіресе жоғары жиілікті қолданулар үшін, мысалы сымсыз жүйелерге арналған радиожиіліктік тізбектер үшін таңдау болып табылады.

Жоғары жылдамдықты цифрлық логика

Эмитерлік логика (ECL) BJT-ларды қолданады. Биполярлы транзисторларды интегралдық тізбекте MOSFET-термен біріктіруге болады. Екі транзистордың да артықшылықтарын пайдаланатын тізбектерді жасау үшін пластина жасаудың BiCMOS процесі қолданылады.

Температура датчиктері

Белгілі температура мен тікелей бағытталған база-эмиттерлік қосылыстың кернеуінің токқа тәуелділігіне байланысты, BJT температураны белгілі қатынастағы екі әртүрлі токпен алынған екі кернеудің айырмасын есептеу арқылы өлшеуге қолданылуы мүмкін.

Логарифмдік түрлендіргіштер

Негіз-эмиттерлік кернеуі негіз-эмиттерлік және коллектор-эмиттерлік тоқтардың логарифміне пропорционалды түрде өзгеретіндіктен, BJT логарифмдерді және антилогарифмдерді есептеу үшін де қолданылуы мүмкін. Диод та осы бейсызық функцияларды орындай алады, бірақ транзистор схемалық икемділікті арттырады.

Аваланшалық импульс генераторлары

Транзисторлар коллектор-эмиттерлік тоқ тоқтау кернеуі коллектор-базалық тоқ тоқтау кернеуінен төмен болуы үшін қасады түрде жасалуы мүмкін. Егер эмиттер-базалық түйісу кері бұрылған болса, коллектор-эмиттерлік кернеу тоқ тоқтаудан сәл төменгі деңгейде ұсталуы мүмкін. Базалық кернеудің өсуіне рұқсат берілген кезде, ток ағарда лавина құбылысы пайда болады және коллектор-базалық деплециялық аймақтағы соқтығысу иондануы базаны жылдам тасымалдаушылармен толтырып, транзисторды толығымен қосады. Импульстар жеткілікті түрде қысқа және сирек болған жағдайда, құрылғы зақымдалмаса, бұл эффектті өте тік құлау жиектерін жасау үшін пайдалануға болады. Бұл қолданыс үшін арнайы лавиналық транзисторлар жасалады.

Қауіпті жерлер

Транзисторды иондаушы сәулелерге ұшырату радиациялық зақымдануға әкеледі. Радиация базалық аймақта рекомбинация орталықтары ретінде әрекет ететін "кемшіліктердің" жиналуына себеп болады. Азшылық тасымалдаушылардың өмір сүру ұзақтығының төмендеуі транзистордың күшейту коэффициентінің біртіндеп жоғалуына алып келеді. Транзисторлардың "максималды көрсеткіштері" болады, оның ішінде қуат көрсеткіштері (негізінен өзін-өзі қыздырумен шектеледі), коллектор мен базаның максималды тогы (үзділіссіз/DC көрсеткіштері және жоғары мәндері) және кернеудің бұзылу көрсеткіштері бар, осының артында құрылғы істен шығуы немесе кем дегенде нашар жұмыс істеуі мүмкін. Құрылғының қалыпты бұзылу көрсеткіштерінен өзге, жоғары қуатты BJT-лер екіншілік бұзылу деп аталатын ақау түріне ұшырайды, онда кремний кристаллындағы артық ток пен қалыпты кемшіліктер құрылғының ішіндегі кремний бөліктерін басқа бөліктерге қарағанда күштірек қыздырады. Допингтелген кремнийдің электр кедергісі, басқа жартылай өткізгіштер сияқты, теріс температуралық коэффициентке ие, яғни температура жоғарылағанда тоқ өткізгіштігі артады. Осылайша, кристалдың ең ыстық бөлігі ең көп токты өткізеді, оның өткізгіштігі артып, құрылғы іштен сәтсіздікке ұшырағанша одан да ыстықтана береді. Екіншілік бұзылумен байланысты жылулық қашу процесі бір рет іске қосылғаннан кейін, дерлік бірден болады және транзистордың корпусына қайырсыздан зақым келтіруі мүмкін. Егер эмитер-базалық торап кері полярлыққа түсіп, лавиналық немесе Зенер режиміне еніп, қысқа мерзімге заряд ағыны болса, BJT-нің күшейту коэффициенті тұрақты түрде төмендеуі мүмкін, себебі эмитер коллектордан кішкентай және маңызды қуатты таратуға қабілетсіз. Бұл төмен вольтты құрылғыларда ESD-ның кең таралған ақау механизмі болып табылады.