Биполярный транзистор: принцип работы и применение.

Биполярный транзистор: принцип работы, устройство и применение. Усиливает сигнал, используя электроны и дырки. Типы p-n переходов и допирование.

13 мин чтения

100%

Источник: Bipolar junction transistor — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Транзистор, использующий как электроны, так и отверстия в качестве носителей заряда

Биполярный транзистор (BJT) – это тип транзистора, использующий как электроны, так и электронные дырки в качестве носителей заряда. В отличие от него, униполярный транзистор, такой как транзистор с полевым управлением (FET), использует только один тип носителей заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, подаваемому на один из его выводов, управлять гораздо большим током, протекающим между выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению. BJT используют два p–n-перехода между двумя типами полупроводников – n-типа и p-типа, которые являются областями в одном кристалле материала. Переходы могут быть созданы различными способами, например, путем изменения легирования полупроводникового материала в процессе его выращивания, осаждением металлических гранул для формирования сплавных переходов или методами диффузии легирующих примесей n-типа и p-типа в кристалл. Превосходная предсказуемость и производительность переходов быстро вытеснили оригинальный точечный транзистор. Диффузионные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральных схем для аналоговых и цифровых функций. Сотни биполярных транзисторов могут быть изготовлены в одной схеме по очень низкой цене. Интегральные схемы на биполярных транзисторах были основными активными устройствами поколения мэйнфреймов и миникомпьютеров, но большинство современных компьютерных систем используют комплементарные металл-оксид-полупроводниковые (CMOS) интегральные схемы, основанные на транзисторе с полевым управлением (FET). Биполярные транзисторы по-прежнему используются для усиления сигналов, переключения и в смешанных интегральных схемах BiCMOS. Специализированные типы применяются для высоковольтных переключателей, радиочастотных (RF) усилителей или для коммутации больших токов.

Текущие правила направления

Согласно общепринятой условности, направление тока на схемах изображается как направление движения положительного заряда. Это называется направлением условного тока. Однако ток в металлических проводниках обычно обусловлен движением электронов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении, противоположном направлению условного тока. С другой стороны, внутри биполярного транзистора ток может состоять как из положительно заряженных дырок, так и из отрицательно заряженных электронов. В данной статье стрелки, обозначающие ток, показаны в направлении условного тока, но обозначения движения дырок и электронов указывают их фактическое направление внутри транзистора.

Направление стрелки

Стрелка на символе биполярного транзистора указывает p–n переход между базой и эмиттером и направлена по направлению движения условного тока.

Функция

BJT существуют как типы PNP и NPN, основанные на типах легирования трех основных областей с выводами. NPN-транзистор состоит из двух полупроводниковых переходов, разделяющих тонкую p-легированную область, а PNP-транзистор состоит из двух полупроводниковых переходов, разделяющих тонкую n-легированную область. N-тип означает легирование примесями (такими как фосфор или мышьяк), которые обеспечивают подвижные электроны, а p-тип означает легирование примесями (такими как бор), которые обеспечивают дырки, легко принимающие электроны. Поток заряда в BJT обусловлен диффузией носителей заряда (электронов и дырок) через переход между двумя областями с разной концентрацией носителей заряда. Области BJT называются эмиттером, базой и коллектором. Дискретный транзистор имеет три вывода для подключения к этим областям. Обычно область эмиттера сильно легирована по сравнению с двумя другими слоями, а коллектор легирован менее интенсивно (обычно в десять раз слабее), чем база. По конструктивным особенностям, большая часть коллекторного тока BJT обусловлена потоком носителей заряда, инжектируемых из сильно легированного эмиттера в базу, где они являются носителями меньшинства (электроны в NPN, дырки в PNP), которые диффундируют к коллектору, поэтому BJT классифицируются как приборы с носителями меньшинства. В типичном режиме работы, p-n переход база-эмиттер смещен в прямом направлении, что означает, что p-легированная сторона перехода находится на более положительном потенциале, чем n-легированная сторона, а p-n переход база-коллектор смещен в обратном направлении. При приложении прямого смещения к переходу база-эмиттер нарушается равновесие между теплогенерируемыми носителями и отталкивающим электрическим полем обедненной области эмиттера. Это позволяет тепловозбужденным носителям (электронам в NPN, дыркам в PNP) инжектироваться из эмиттера в базовую область. Эти носители создают диффузионный ток через базу из области высокой концентрации вблизи эмиттера в сторону области низкой концентрации вблизи коллектора. Для минимизации доли носителей, которые рекомбинируют до достижения перехода коллектор-база, базовая область транзистора должна быть достаточно тонкой, чтобы носители могли диффундировать через нее за время, значительно меньшее времени жизни носителей меньшинства в полупроводнике. Слабое легирование базы обеспечивает низкую скорость рекомбинации. В частности, толщина базы должна быть намного меньше диффузионной длины носителей. Переход коллектор-база смещен в обратном направлении, поэтому инжекция носителей от коллектора к базе пренебрежимо мала, но носители, инжектируемые из эмиттера в базу и диффундирующие к обедненной области коллектор-база, сметаются в коллектор электрическим полем в обедненной области. Тонкая общая база и асимметричное легирование коллектора-эмиттера отличают биполярный транзистор от двух отдельных диодов, соединенных последовательно.

BJTs exist as PNP and NPN types, based on the doping types of the three main terminal regions. An NPN transistor comprises two semiconductor junctions that share a thin p doped region, and a PNP transistor comprises two semiconductor junctions that share a thin n doped region. N type means doped with impurities (such as phosphorus or arsenic) that provide mobile electrons, while p type means doped with impurities (such as boron) that provide holes that readily accept electrons. Charge flow in a BJT is due to diffusion of charge carriers (electrons and holes) across a junction between two regions of different charge carrier concentration. The regions of a BJT are called emitter, base, and collector. A discrete transistor has three leads for connection to these regions. Typically, the emitter region is heavily doped compared to the other two layers, and the collector is doped more lightly (typically ten times lighter) than the base. By design, most of the BJT collector current is due to the flow of charge carriers injected from a heavily doped emitter into the base where they are minority carriers (electrons in NPNs, holes in PNPs) that diffuse toward the collector, so BJTs are classified as minority carrier devices. In typical operation, the base–emitter junction is forward biased, which means that the p doped side of the junction is at a more positive potential than the n doped side, and the base–collector junction is reverse biased. When forward bias is applied to the base–emitter junction, the equilibrium between the thermally generated carriers and the repelling electric field of the emitter depletion region is disturbed. This allows thermally excited carriers (electrons in NPNs, holes in PNPs) to inject from the emitter into the base region. These carriers create a diffusion current through the base from the region of high concentration near the emitter toward the region of low concentration near the collector. To minimize the fraction of carriers that recombine before reaching the collector–base junction, the transistor's base region must be thin enough that carriers can diffuse across it in much less time than the semiconductor's minority carrier lifetime. Having a lightly doped base ensures recombination rates are low. In particular, the thickness of the base must be much less than the diffusion length of the carriers. The collector–base junction is reverse biased, and so negligible carrier injection occurs from the collector to the base, but carriers that are injected into the base from the emitter, and diffuse to reach the collector–base depletion region, are swept into the collector by the electric field in the depletion region. The thin shared base and asymmetric collector–emitter doping are what differentiates a bipolar transistor from two separate diodes connected in series.

Контроль напряжения, тока и заряда

Ток коллектора-эмиттера можно рассматривать как управляемый током базы-эмиттера (управление током) или напряжением базы-эмиттера (управление напряжением). Эти подходы связаны соотношением ток-напряжение p–n перехода базы-эмиттера, которое представляет собой обычную экспоненциальную вольт-амперную характеристику диода. Объяснение коллекторного тока заключается в градиенте концентрации миноритарных носителей в базовом регионе. Вследствие малого уровня инжекции (при котором количество избыточных носителей значительно меньше, чем нормальное количество основных носителей) скорость амбиполярного переноса (при котором избыточные основные и миноритарные носители движутся с одинаковой скоростью) фактически определяется избыточными миноритарными носителями. Детальные модели работы транзистора, такие как модель Гаммеля-Пуна, учитывают распределение этого заряда для более точного объяснения поведения транзистора. Подход управления зарядом легко применим к фототранзисторам, где миноритарные носители в базовом регионе создаются за счет поглощения фотонов, а также к динамике выключения, или времени восстановления, которое зависит от рекомбинации заряда в базовом регионе. Однако, поскольку заряд базы не является сигналом, видимым на выводах, в проектировании и анализе схем обычно используются подходы управления током и напряжением. В аналоговом проектировании схем иногда используется подход управления током, поскольку он приблизительно линеен. То есть, коллекторный ток приблизительно равен базовому току. Некоторые базовые схемы можно спроектировать, предполагая, что напряжение база-эмиттер приблизительно постоянно, а коллекторный ток равен β, умноженному на базовый ток. Однако для точного и надежного проектирования серийных BJT-схем требуется модель управления напряжением (например, модель Эберса-Молла). Два широко используемых ГБТ – это кремний-германий и арсенид алюминия-галлия, хотя для структуры ГБТ может использоваться широкий спектр полупроводников. Структуры ГБТ обычно выращиваются методами эпитаксии, такими как MOCVD и MBE.

The collector–emitter current can be viewed as being controlled by the base–emitter current (current control), or by the base–emitter voltage (voltage control). These views are related by the current–voltage relation of the base–emitter junction, which is the usual exponential current–voltage curve of a p–n junction (diode). The explanation for collector current is the concentration gradient of minority carriers in the base region. Due to low level injection (in which there are much fewer excess carriers than normal majority carriers) the ambipolar transport rates (in which the excess majority and minority carriers flow at the same rate) is in effect determined by the excess minority carriers. Detailed transistor models of transistor action, such as the Gummel–Poon model, account for the distribution of this charge explicitly to explain transistor behaviour more exactly. The charge control view easily handles phototransistors, where minority carriers in the base region are created by the absorption of photons, and handles the dynamics of turn off, or recovery time, which depends on charge in the base region recombining. However, because base charge is not a signal that is visible at the terminals, the current and voltage control views are generally used in circuit design and analysis. In analog circuit design, the current control view is sometimes used because it is approximately linear. That is, the collector current is approximately times the base current. Some basic circuits can be designed by assuming that the base–emitter voltage is approximately constant and that collector current is β times the base current. However, to accurately and reliably design production BJT circuits, the voltage control model (e. g. the Ebers–Moll model) is required. Two commonly used HBTs are silicon–germanium and aluminum gallium arsenide, though a wide variety of semiconductors may be used for the HBT structure. HBT structures are usually grown by epitaxy techniques like MOCVD and MBE.

Транзисторы в схемах активного режима

На диаграмме показано схематическое изображение NPN-транзистора, подключенного к двум источникам напряжения. (То же описание применимо и к PNP-транзистору с обратным направлением потока тока и приложенного напряжения.) Это приложенное напряжение приводит к прямому смещению нижнего p–n перехода, позволяя электронам течь от эмиттера в базу. В активном режиме электрическое поле между базой и коллектором (создаваемое VCE) заставляет большинство этих электронов пересекать верхний p–n переход в коллектор, формируя коллекторный ток IC. Оставшиеся электроны рекомбинируют с дырками, основными носителями заряда в базе, создавая ток через базовое соединение, формирующий базовый ток IB. Как показано на диаграмме, ток эмиттера IE является общим током транзистора, который равен сумме токов других выводов (т.е. IE = IB + IC). На диаграмме стрелки, обозначающие направление тока, указывают направление условного тока – поток электронов происходит в направлении, противоположном стрелкам, поскольку электроны несут отрицательный электрический заряд. В активном режиме отношение коллекторного тока к базовому току называется коэффициентом усиления по току постоянного тока. Этот коэффициент обычно равен 100 или более, но надежные схемы не зависят от его точного значения (например, см. операционный усилитель). Значение этого коэффициента для сигналов постоянного тока обозначается , а значение для малых сигналов – . То есть, когда происходит небольшое изменение токов и достаточно времени прошло для установления нового стационарного состояния, является отношением изменения коллекторного тока к изменению базового тока. Символ использовался как для и для в Bell Telephone Laboratories Джоном Бардином и Уолтером Браттейном под руководством Уильяма Шокли. Версия с переходом, известная как биполярный транзистор (BJT), изобретенная Шокли в 1948 году, на протяжении трех десятилетий была основным устройством при проектировании дискретных и интегральных схем. В настоящее время использование BJT сократилось в пользу CMOS-технологии при проектировании цифровых интегральных схем. Однако встроенные в CMOS-интегральные схемы BJT с низкими характеристиками часто используются в качестве опорного напряжения полосы пропускания, датчика температуры на основе кремниевой полосы пропускания и для защиты от электростатического разряда.

The diagram shows a schematic representation of an NPN transistor connected to two voltage sources. (The same description applies to a PNP transistor with reversed directions of current flow and applied voltage.) This applied voltage causes the lower p–n junction to become forward biased, allowing a flow of electrons from the emitter into the base. In active mode, the electric field existing between base and collector (caused by VCE) will cause the majority of these electrons to cross the upper p–n junction into the collector to form the collector current IC. The remainder of the electrons recombine with holes, the majority carriers in the base, making a current through the base connection to form the base current, IB. As shown in the diagram, the emitter current, IE, is the total transistor current, which is the sum of the other terminal currents, (i. e. IE = IB + IC). In the diagram, the arrows representing current point in the direction of conventional current – the flow of electrons is in the opposite direction of the arrows because electrons carry negative electric charge. In active mode, the ratio of the collector current to the base current is called the DC current gain. This gain is usually 100 or more, but robust circuit designs do not depend on the exact value (for example see op amp). The value of this gain for DC signals is referred to as , and the value of this gain for small signals is referred to as That is, when a small change in the currents occurs, and sufficient time has passed for the new condition to reach a steady state is the ratio of the change in collector current to the change in base current. The symbol is used for both and at the Bell Telephone Laboratories by John Bardeen and Walter Brattain under the direction of William Shockley. The junction version known as the bipolar junction transistor (BJT), invented by Shockley in 1948, was for three decades the device of choice in the design of discrete and integrated circuits. Nowadays, the use of the BJT has declined in favor of CMOS technology in the design of digital integrated circuits. The incidental low performance BJTs inherent in CMOS ICs, however, are often utilized as bandgap voltage reference, silicon bandgap temperature sensor and to handle electrostatic discharge.

Транзисторы из германия

Транзистор из германия был более распространен в 1950-х и 1960-х годах, но более склонен к тепловому пробою. Поскольку германиевые p-n переходы имеют меньшее прямое напряжение, чем у кремния, германиевые транзисторы начинают проводить ток при более низком напряжении.

Теория и моделирование

BJT можно рассматривать как два диода (p–n переходы), имеющих общую область, через которую могут перемещаться носители меньшинства. PNP BJT функционирует как два диода, разделяющих область катода N-типа, а NPN – как два диода, разделяющих область анода P-типа. Соединение двух диодов проводами не создаст BJT, поскольку носители меньшинства не смогут переместиться от одного p–n перехода к другому по проводам. Оба типа BJT работают, позволяя небольшому входному току базы управлять усиленным выходным током коллектора. В результате BJT является хорошим переключателем, управляемым его базовым входом. BJT также является хорошим усилителем, поскольку он может усилить слабый входной сигнал примерно в 100 раз. Сети BJT используются для создания мощных усилителей с широким спектром применения. В дальнейшем обсуждении основное внимание уделяется NPN BJT. В так называемом активном режиме напряжение база-эмиттер и напряжение база-коллектор положительны, что обеспечивает прямое смещение эмиттер-базового перехода и обратное смещение коллектор-базового перехода. В этом режиме электроны инжектируются из области эмиттера N-типа, смещенной в прямом направлении, в базу P-типа, где они диффундируют как носители меньшинства к коллектору N-типа, смещенному в обратном направлении, и уносятся электрическим полем в области коллектор-базового перехода. Для иллюстрации прямого и обратного смещения обратитесь к разделу о полупроводниковых диодах.

Модели с большим сигналом

В 1954 году Джевелл Джеймс Эберс и Джон Л. Молл представили свою математическую модель токов в транзисторах.

Пробивание

Когда напряжение между базой и коллектором достигает определенного (характерного для данного прибора) значения, граница обедненного слоя база-коллектор встречается с границей обедненного слоя база-эмиттер. В этом состоянии транзистор фактически лишается базы. Следовательно, прибор теряет весь коэффициент усиления в этом состоянии.

Модель управления зарядом GummelPoon

Модель Гаммела — Пуна — это детальная модель динамики биполярного транзистора, управляемая зарядом, которая была принята и доработана другими исследователями для более детального объяснения динамики транзисторов, чем это обычно делают модели, основанные на характеристиках выводов. Эта модель также учитывает зависимость параметров транзистора от уровней постоянного тока, протекающих через него, в то время как в модели Эберса — Молла эти уровни считаются независимыми от тока.

Модель гибрид-пи

Модель гибридного пи – популярная модель схемы, используемая для анализа поведения на малых сигналах и в переменном токе биполярных и полевых транзисторов. Иногда её также называют моделью Джаколетто, поскольку она была предложена Л. Дж. Джаколетто в 1969 году. Модель может быть достаточно точной для низкочастотных схем и может быть легко адаптирована для более высоких частот путем добавления соответствующих межэлектродных ёмкостей и других паразитных элементов.

Этимология hFE

h указывает на то, что это h-параметр – набор параметров, названных по происхождению из модели гибридной эквивалентной схемы (см. выше). Как и для всех h-параметров, выбор строчных или прописных букв после "h" имеет значение: строчные буквы обозначают параметры "малого сигнала", то есть наклон конкретной зависимости; прописные буквы подразумевают параметры "большого сигнала" или значения постоянного тока, отношение напряжений или токов. В случае часто используемого hFE: F происходит от усиления по прямому току, также называемого коэффициентом усиления по току. E указывает на транзистор, работающий в схеме с общим эмиттером (CE). Таким образом, hFE (или hFE) – это (полный; DC) коллекторный ток, деленный на базовый ток, и является безразмерной величиной. Этот параметр несколько изменяется в зависимости от коллекторного тока, но часто аппроксимируется как постоянная; обычно он указывается при типичном коллекторном токе и напряжении или представляется графически как функция коллекторного тока. Если бы в индексе использовались строчные буквы, то есть если бы он был записан как hfe, параметр указывал бы на усиление по току малого сигнала (AC), то есть на наклон графика зависимости тока коллектора от тока базы в данной точке, который часто близок к значению hFE, если только частота тестирования не высока.

Промышленные модели

Часто используется модель Gummel–Poon SPICE, но она имеет ряд ограничений. Например, обратный пробой базово-эмиттерного диода не учитывается моделью SGP (SPICE Gummel–Poon), равно как и тепловые эффекты (самонагрев) или квазинасыщение. Эти недостатки были устранены в различных, более совершенных моделях, которые либо ориентированы на конкретные области применения (Mextram, HICUM, Modella), либо предназначены для универсального использования (VBIC).

Приложения

BJT остаётся устройством, которое демонстрирует превосходные характеристики в некоторых областях применения, таких как проектирование дискретных схем, благодаря очень широкому ассортименту доступных типов BJT и высокой крутизне характеристики и выходному сопротивлению по сравнению с MOSFET. BJT также предпочтителен для сложных аналоговых схем, особенно в высокочастотных приложениях, например, в радиочастотных схемах для беспроводных систем.

Высокоскоростная цифровая логика

Логика с эмиттерной связью (ECL) использует биполярные транзисторы. Биполярные транзисторы можно комбинировать с MOSFET в интегральной схеме, используя технологию BiCMOS для изготовления полупроводниковых пластин, чтобы создавать схемы, использующие сильные стороны обоих типов транзисторов в различных приложениях.

Датчики температуры

Из-за известной зависимости напряжения перехода база-эмиттер, смещенного в прямом направлении, от температуры и тока, биполярный транзистор может использоваться для измерения температуры путем вычитания двух напряжений, измеренных при двух различных токах смещения, находящихся в известном соотношении.

Логарифмические преобразователи

Поскольку напряжение между базой и эмиттером изменяется как логарифм токов базы-эмиттера и коллектора-эмиттера, биполярный транзистор также может использоваться для вычисления логарифмов и антилогарифмов. Диод также способен выполнять эти нелинейные функции, но транзистор предоставляет больше гибкости в схеме.

генераторы лавинных импульсов

Транзисторы могут быть специально изготовлены с меньшим напряжением пробоя коллектор-эмиттер, чем напряжением пробоя коллектор-база. Если p-n переход эмиттер-база находится в обратном смещении, напряжение коллектор-эмиттер может поддерживаться на уровне, немного ниже напряжения пробоя. Как только напряжение на базе начинает расти и появляется ток, возникает лавинный пробой и ионизация в обедненной области база-коллектор быстро заполняет базу носителями заряда, полностью включая транзистор. До тех пор, пока импульсы достаточно короткие и редкие, чтобы не повредить устройство, этот эффект можно использовать для формирования очень крутых спадов сигнала. Для этой цели создаются специальные лавинные транзисторы.

Уязвимости

Воздействие ионизирующего излучения на транзистор вызывает радиационное повреждение. Излучение приводит к накоплению "дефектов" в базовом регионе, которые выступают в качестве центров рекомбинации. Результирующее уменьшение времени жизни неосновных носителей заряда вызывает постепенную потерю усиления транзистора. Транзисторы имеют "максимальные допустимые параметры", включая параметры мощности (в основном ограниченные самонагревом), максимальные токи коллектора и базы (как постоянные, так и пиковые) и параметры пробивного напряжения, превышение которых может привести к выходу устройства из строя или, по крайней мере, к ухудшению его характеристик. Помимо обычных параметров пробоя устройства, силовые БТТ подвержены режиму отказа, называемому вторичным пробоем, при котором избыточный ток и обычные дефекты в кремниевой пластине приводят к тому, что отдельные участки кремния внутри устройства нагреваются непропорционально сильнее, чем другие. Электрическое сопротивление легированного кремния, как и других полупроводников, имеет отрицательный температурный коэффициент, то есть проводит больше тока при более высоких температурах. Таким образом, самая горячая часть пластины проводит наибольший ток, что увеличивает её проводимость, и, следовательно, она снова нагревается, пока устройство не выйдет из строя. Процесс теплового разгона, связанный со вторичным пробоем, после запуска происходит почти мгновенно и может катастрофически повредить корпус транзистора. Если эмиттер-базовый переход переходит в лавинный или диодный режим (режим Зенера) и заряд течет в течение короткого времени, коэффициент усиления по току БТТ может быть необратимо снижен, поскольку эмиттер меньше коллектора и не может рассеивать значительную мощность. Это распространенный механизм отказа от электростатического разряда (ESD) в устройствах с низким напряжением.