Биполярный транзистор Выполнили: Коновалова Кристина Александровна; Коновалова Кристина Александровна; Михайлина Анна Аркадьевна. Михайлина Анна Аркадьевна. 3 курс, ФТФ, группа: курс, ФТФ, группа:21301.

Общие сведения. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей - основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей - основные и неосновные, поэтому его называют биполярным. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости:, базы и коллектора. Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора.

Схематическое изображение транзистора типа p-n-p:

База (Б) – область транзистора, расположенная между переходами. База (Б) – область транзистора, расположенная между переходами. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Эмиттер (Э) – область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу. Эмиттер (Э) – область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу. Коллектором (К)– область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы. Коллектором (К)– область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы.

Различают три режима работы транзистора: Различают три режима работы транзистора: 1. Режим отсечки - оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток; 1. Режим отсечки - оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток; 2. Режим насыщения - оба p-n перехода открыты; 2. Режим насыщения - оба p-n перехода открыты; 3. Активный режим - один из p-n переходов открыт, а другой закрыт. 3. Активный режим - один из p-n переходов открыт, а другой закрыт.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности - инверсным. Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе - обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности - инверсным. По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы. По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы. Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует - бездрейфовым (диффузионным). Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует - бездрейфовым (диффузионным).

Основные физические процессы в биполярных транзисторах В рабочем режиме биполярного транзистора протекают физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. В рабочем режиме биполярного транзистора протекают физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. Закон распределения инжектированных дырок Рn(х) по базе: Закон распределения инжектированных дырок Рn(х) по базе: Рn(x)=Рno*exp(в*Vg)*exp(-x/Lp) Рn(x)=Рno*exp(в*Vg)*exp(-x/Lp)

Распределение инжектированных дырок:

Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения - диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, ширина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения - диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, ширина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Условие - W < Lp, является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Условие - W < Lp, является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе.

Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток. Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса: инжекция из эмиттера в базу; инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор экстракция из базы в коллектор;

Зонная диаграмма биполярного транзистора в равновесном состоянии:

Токи в биполярном транзисторе: Схема БТ в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока с общей базой:

Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах. Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие: Величина «полезной» дырочной компоненты : I эp = γ · I э Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора: γκIэ

Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент: 1) электронный ток в эмиттерном переходе: Iэn = (1 – γ )·Iэ, 2) рекомбинационный ток в базе: (1 - κ)γIэ 3) тепловой ток коллектора: где I 0 – тепловой ток, I g – ток генерации.

Схема включения биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером:

Компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером: В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа)

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером : Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α 1), то из уравнения следует, что коэффициент усиления будет существенно больше единицы ( >> 1). При значениях коэффициента передачи α = 0,98 0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β =

Выражение: с учётом: можно переписать в виде: Где Iк 0 * -тепловой ток отдельно взятого p n перехода, который много больше теплового тока коллектора Iк 0, а величина r к определяется как:

Продифференцировав уравнение: по току базы Iб, получаем: Коэффициент усиления показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора Iк при изменении тока базы Iб.

Для характеристики величины как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как: где В результате преобразований для величины было получено значение:

Характеристики биполярного транзистора Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОЭ: Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера: Iк=f (Uк); Iэ=const Входная характеристика – зависимость тока базы от напряжения на базе при постоянном напряжении на коллекторе: Iб=f (Uб); Uк=const На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов (p-n-p и n-p-n) в схеме с общим эмиттером. Различным цветом выделены возможные режимы: отсечки (1), активный или усилительный (2), режим насыщения (3).

Статические характеристики биполярного транзистора при включении по схеме с ОБ: Выходная характеристика – зависимость тока коллектора от напряжения на коллекторе при постоянном токе эмиттера: Iк=f (Uк); Iэ=const. Входная характеристика – зависимость тока эмиттера от напряжения на эмиттере при постоянном напряжении на коллекторе. Iэ=f (Uэ); Uк=const. На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов (p-n-p и n-p-n) в схеме с общей базой (значения раскраски областей те же).

Спасибо за внимание!