lection 4 (2009) (1128552)
Текст из файла
Лекция 4БИПОЛЯРНЫЕ И ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫБиполярные транзисторы. Взаимодействие двух близкорасположенных электроннодырочных переходов. Принцип работы биполярного транзистора. Виды биполярныхтранзисторов. Роль тока утечки между коллектором и базой.Режимы работы и схемы включения биполярных транзисторов. Режимы работы.Основные схемы включения. Усиление тока и напряжения.
Схема с общей базой. Схема собщим эмиттером. Схема с общим коллектором. Усилитель мощности.Транзисторный ключ. Особенности ключевого режима работы транзистора.Параметры транзисторного ключа. Быстродействие ключевой схемы. Транзистор сбарьером Шоттки.Планарные транзисторы. Транзисторы, изготовленные по планарной технологии.Многоэмитерные и многоколлекторные транзисторы.Полевые транзисторы. Принцип работы полевых транзисторов. Виды полевыхтранзисторов.
Металл-оксид-полупроводник МОП (МДП) структуры с изолированнымзатвором. МДП транзистор со встроенным каналом. МДП транзистор синдуцированным каналом. Быстродействие ключей на полевых транзисторах.Приборы и устройства транзисторного типа. Флэш-память. Приборы с зарядовойсвязью.Транзистор (от английского transfer – переносить и латинского resistor – сопротивление)– электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, имеющий три электродаи предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрическихколебаний.По физическому принципу работы транзисторы можно разделить на два основных класса:биполярные и униполярные.В биполярных транзисторах физические процессы обусловлены переносом носителейзаряда обоих знаков. В основе работы биполярных транзисторов лежат процессыинжекции и диффузии неосновных носителей, дрейфа основных и неосновных носителейзаряда.В униполярных транзисторах физические процессы протекания электрического тока вполупроводниках обусловлены носителями заряда одного знака – электронами илидырками.
Перенос носителей заряда осуществляется за счет их дрейфа в электрическомполе.Кроме двух основных классов, можно рассмотреть целый ряд устройств и структуртранзисторного типа, действие которых основано на использовании различныхфизических явлений в полупроводниках и связанных, так или иначе, с управлением токомпри помощи тока.1БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫВзаимодействие двух близкорасположенных электронно-дырочных переходов.Рассмотрим трехслойную полупроводниковую структуру, в которой два слоя содинаковым типом проводимости разделены слоем полупроводника с другим типомпроводимости.Получились два полупроводниковых диода, включенных навстречу друг другу. Еслиприложить внешнее поле, то один окажется включенным в прямом направлении, а другой– в обратном.
Подавая определенный потенциал на средний слой, можно управлять токамичерез каждый из p-n-переходов, величина которых будет определяться видом ВАХкаждого из переходов.Теперь представим, что средний слой довольно тонкий (толщина невелика по-сравнению сдиффузионной длиной неосновных носителей). В этом случае эти два p-n-перехода неявляются независимыми. Неосновные носители, инжектированные из левой части всредний слой, за счет диффузии быстро его проходят насквозь и попадают в правую часть,независимо от того, как включен правый p-n-переход.Такая трехслойная полупроводниковая структура, состоящая из двух слоевполупроводника с одинаковым типом проводимости, разделенных тонким слоемполупроводника с другим типом проводимости, называется биполярным транзистором.Обозначение n+ означает, что концентрация носителей повышенная по-сравнению с n, тоесть, область эмиттера сильно легированная. Напротив, слой базы имеет малую степень2легирования.
Толщина слоя базы либо много меньше диффузионной длины неосновныхносителей ( l Б << Ln, p , случай тонкой базы), либо сравнима с ней ( l Б ~ Ln, p , случайтолстой базы). Благодаря этому два p-n-перехода эффективно взаимодействуют междусобой.Транзисторы n-p-n типа распространены существенно больше. Инжектируемыминосителями в этом случае являются электроны, подвижность которых в несколько выше,чем у дырок, что обусловливает большее быстродействие.Принцип работы биполярного транзистораНа рисунке показан n-p-n-транзистор, включенный по схеме «с общим эмиттером». Впервом случае ключ S разомкнут, а во втором замкнут. Переход база-коллектор смещен вобратном направлении.
Поэтому в первом случае имеющийся потенциальный барьерпрепятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая током утечки(насыщения), можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю.При замыкании ключа переход база-эмитер становится смещенным в прямом направлении,а переход база-коллектор остается смещенным в обратном направлении.
Благодарясмещению перехода база-эмитер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типаинжектируются в базу и диффундируют по направлению к обедненному слою на переходебаза-коллектор. Эти электроны в слое базы являются неосновными носителями. Поэтомудля них обедненный слой не является запирающим. Напротив, достигнув обедненногослоя, они ускоряются полем потенциального барьера и движутся в коллектор, создавая темсамым в коллекторе коллекторный ток.Возникает вопрос, почему электроны не рекомбинируют с дырками при движении в базеp-типа в сторону коллектора.
Причиной является то, что, во-первых, база является слаболегированной, а во-вторых, она является очень тонкой. Поэтому лишь очень малое числоэлектронов будет перехвачено дырками и рекомбинирует.I К = αI Э , где α ~ 0.99...0.999α - коэффициент передачи эмитерного тока.3Малая доля электронов все же рекомбинирует, базовая область приобретаетотрицательный связанный заряд.
Батарея B1 в цепи базы является источникомположительного заряда, который компенсирует убыль дырок в базе из-за рекомбинации.Протекание этого заряда и образует базовый ток транзистора I Б = I Э − I К .Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда ипереход эмиттер-база поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в своюочередь, обеспечивает протекание коллекторного тока.
Таким образом, в транзистореимеет место управление током при помощи приложенного напряжения. Причем, I Б I КОтношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления токабазы β :IК1αβ===~ 10 2 ...10 31IЭ − I К1−α−1αВ типичном маломощном кремниевом транзисторе примерно 1 из 100 электроноврекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.Ранее упоминалось, что при смещении p-n-перехода в прямом направлениитекущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрениисмещенного в прямом направлении перехода база-эмитер мы пока учитывали толькоэлектроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, посколькуобласть эмиттера специально легируется наиболее сильно (что обозначается n + ), чтобыобеспечить число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсемслабо, и это дает так мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока черезпереход база-эмитер.Ключевым моментом в работе транзистора является то, что, подавая на эмитерныйпереход определенный, достаточно слабый, сигнал, мы добиваемся изменения тока взначительном диапазоне.
Если в цепи коллектора поместить сопротивление нагрузки, наней будет падать напряжение, определяющееся величиной протекающего тока имногократно превышающее исходный сигнал эмитерном переходе. Таким образомреализуется возможность усиления напряжения.Виды биполярных транзисторовНа рисунке приведены условные обозначения n-p-n и p-n-p-транзисторов. Стрелочкавсегда направлена от дырок к электронам и указывает направление протекающего тока.4Роль тока утечки между коллектором и базойЧерез смещенный в обратном направлении переход коллектор-база из коллектора в базутечет ток неосновных носителей дырок – ток утечки (ток насыщения).
Величина этого токаI КБ 0 для кремниевых транзисторов составляет порядка 0,01мкА. Если транзистор включенв схему с общим эмиттером и цепь базы разомкнута, ток I КБ 0 приводит к повышениюпотенциала базы и беспрепятственно течет в эмиттер, для которого этот ток неотличим отвнешнего тока базы. Таким образом, I КБ 0 усиливается транзистором, и ток утечки междуколлектором и эмиттером возрастает до значения I КЭ = βI КЭ 0 , что может составлять уже 1мкА. Этот ток уже обусловлен током электронов из эмиттера, для которых повышениепотенциала базы из-за притока дырок из коллектора привело к снятию потенциальногобарьера (даже в отсутствие отпирающего напряжения в цепи базы). Поскольку величинатока утечки из коллектора определяется током неосновных носителей – дырок,концентрация которых сильно зависит от температуры:Eni2 NC2 − kBGT,=enn NDсильно зависит от температуры, увеличиваясь примерно вдвое приpn nn = ni2 ≈ pn N D⇒pn =то и ток I КВ 0нагревании на каждые 180С.
Когда I КЭ 0 становится сравнимым с нормальным токомколлекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-nпереходы могут работать до 2000С, а германиевые, имеющие много больший (в 102-103раз)ток утечки, только до 850СКогда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами I КВ 0 и I КЭ 0можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатнойтемпературе (200С) ток I КВ 0 имеет значение порядка 2 мкА, так что при β =100 ток I КЭ 0будет равен 200мкА.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
