Основы разработки микросхем
Интегральная схема - Википедия
По технологии изготовления · Плёночная интегральная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок: · Гибридная микросхема (часто ...
биполярные
Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы ( <anchor>биполярные</anchor> или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем.
Биполярный транзистор — Википедия
# Биполярный транзистор

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

 Обозначение биполярных транзисторов на схемах по ГОСТ 2.730[1]. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход в активном режиме и служит для указания n-p-n и p-n-p транзисторов. Окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

Применяется в электронных устройствах для усиления или генерации электрических колебаний, а также в качестве коммутирующего элемента (например, в схемах ТТЛ).

## Содержание

## Устройство

 Простейшая наглядная схема устройства транзистора Упрощённая схема поперечного разреза планарного биполярного n-p-n транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трёх полупроводниковых слоёв с чередующимся типом примесной проводимости: эмиттера (обозначается «Э», англ. E), базы («Б», англ. B) и коллектора («К», англ. C). В зависимости от порядка чередования слоёв различают n-p-n (эмиттер — n-полупроводник, база — p-полупроводник, коллектор — n-полупроводник) и p-n-p транзисторы. К каждому из слоёв подключены проводящие невыпрямляющие контакты[2].

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования "Легирование (полупроводники)") для улучшения электрических параметров прибора. Коллекторный слой легируется слабо, что повышает допустимое коллекторное напряжение. Эмиттерный слой — сильно легированный: величина пробойного обратного напряжения эмиттерного перехода не критична, так как обычно в электронных схемах транзисторы работают с прямосмещённым эмиттерным переходом. Кроме того, сильное легирование эмиттерного слоя обеспечивает лучшую инжекцию неосновных носителей в базовый слой, что увеличивает коэффициент передачи по току в схемах с общей базой. Слой базы легируется слабо, так как располагается между эмиттерным и коллекторным слоями и должен иметь большое электрическое сопротивление.

Общая площадь перехода база-эмиттер выполняется значительно меньше площади перехода коллектор-база, что увеличивает вероятность захвата неосновных носителей из базового слоя и улучшает коэффициент передачи. Так как в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включён с обратным смещением, в нём выделяется основная доля тепла, рассеиваемого прибором, и повышение его площади способствует лучшему охлаждению кристалла. Поэтому на практике биполярный транзистор общего применения является несимметричным устройством (то есть инверсное включение, когда меняют местами эмиттер и коллектор, нецелесообразно).

Для повышения частотных параметров (быстродействия) толщину базового слоя делают меньше, так как этим, в том числе, определяется время «пролёта» (диффузии в бездрейфовых приборах) неосновных носителей. Но при снижении толщины базы снижается предельное коллекторное напряжение, поэтому толщину базового слоя выбирают исходя из разумного компромисса.

В первых транзисторах в качестве полупроводникового материала использовался металлический германий. Полупроводниковые приборы на его основе имеют ряд недостатков, и в настоящее время (2015 г.) биполярные транзисторы изготавливают в основном из монокристаллического кремния и монокристаллического арсенида галлия. Благодаря очень высокой подвижности носителей в арсениде галлия приборы на его основе обладают высоким быстродействием и используются в сверхбыстродействующих логических схемах и в схемах СВЧ- усилителей.

## Принцип работы

В активном усилительном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён "Ток смещения (радиоэлектроника)") в прямом направлении[3] (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт).

В транзисторе типа n-p-n[4] основные носители заряда в эмиттере (электроны) проходят через открытый переход эмиттер-база ( инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует "Рекомбинация (физика полупроводников)") с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако из-за того, что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, бо́льшая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора, так как время рекомбинации относительно велико[5]. Сильное электрическое поле обратносмещённого коллекторного перехода захватывает неосновные носители из базы (электроны) и переносит их в коллекторный слой. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы ( Iэ=Iб + Iк).

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора ( Iк = α Iэ), называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0,9—0,999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α/(1 − α), от 10 до 1000. Таким образом, малый ток базы управляет значительно бо́льшим током коллектора.

## Режимы работы

Напряжения

на эмиттере,

базе,

коллекторе

(UE,UB,UC{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}}{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}})Смещение

перехода

база-эмиттер

для типа n-p-nСмещение

перехода

база-коллектор

для типа n-p-nРежим

для типа n-p-n
UE<UB<UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}}{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}}прямоеобратноенормальный

активный режим
UE<UB>UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}}{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}}прямоепрямоережим насыщения
UE>UB<UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}}{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}}обратноеобратноережим отсечки
UE>UB>UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}}{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}}обратноепрямоеинверсный

активный режим
Напряжения

на эмиттере,

базе,

коллекторе

(UE,UB,UC{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}}{\displaystyle U_{E},U_{B},U_{C}})Смещение

перехода

база-эмиттер

для типа p-n-pСмещение

перехода

база-коллектор

для типа p-n-pРежим

для типа p-n-p
UE<UB<UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}}{\displaystyle U_{E}<U_{B}<U_{C}}обратноепрямоеинверсный

активный режим
UE<UB>UC{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}}{\displaystyle U_{E}<U_{B}>U_{C}}обратноеобратноережим отсечки
UE>UB<UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}}{\displaystyle U_{E}>U_{B}<U_{C}}прямоепрямоережим насыщения
UE>UB>UC{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}}{\displaystyle U_{E}>U_{B}>U_{C}}прямоеобратноенормальный

активный режим

### Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включён в прямом направлении[3] (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт):

UЭБ< 0; UКБ> 0 (для транзистора n-p-n типа), для транзистора p-n-p типа условие будет иметь вид UЭБ >0; UКБ< 0.

### Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное смещение, а коллекторный переход — прямое: UКБ< 0; UЭБ> 0 (для транзистора n-p-n типа).

### Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).
Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнётся проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера ( I Э. нас) и коллектора ( I К. нас).

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер (UКЭ. нас) — это падение напряжения на открытом транзисторе (смысловой аналог RСИ. отк у полевых транзисторов). Аналогично напряжение насыщения база-эмиттер (UБЭ. нас) — это падение напряжения между базой и эмиттером на открытом транзисторе.

### Режим отсечки

В данном режиме коллекторный p-n переход смещён в обратном направлении, а на эмиттерный переход может быть подано как обратное, так и прямое смещение, не превышающее порогового значения, при котором начинается эмиссия неосновных носителей заряда в область базы из эмиттера (для кремниевых транзисторов приблизительно 0,6—0,7 В).

Режим отсечки соответствует условию U ЭБ<0,6—0,7 В, или I Б=0[6][7].

### Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет собой своеобразный диод, включённый последовательно с токозадающим резистором.
Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

## Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

- Коэффициент усиления по току I вых/ I вх.
- Входное сопротивление R вх = U вх/ I вх.

### Схема включения с общей базой

 Схема включения с общей базой.

- Среди всех трёх конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Не инвертирует фазу сигнала.
- Коэффициент усиления по току: I вых/ I вх = I к/ I э = α [α<1].
- Входное сопротивление R вх = U вх/ I вх = U эб/ I э.

Входное сопротивление (входной импеданс) усилительного каскада с общей базой мало зависит от тока эмиттера, при увеличении тока — снижается и не превышает единиц — сотен Ом для маломощных каскадов, так как входная цепь каскада при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства

- Хорошие температурные и широкий частотный диапазон, так как в этой схеме подавлен эффект Миллера.
- Высокое допустимое коллекторное напряжение.

Недостатки

- Малое усиление по току, равное α, так как α всегда немного менее 1
- Малое входное сопротивление

### Схема включения с общим эмиттером

 Схема включения с общим эмиттером.

I вых = I к

I вх = I б

U вх = U бэ

U вых = U кэ.

- Коэффициент усиления по току: I вых/ I вх = I к/ I б = I к/( I э-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1].
- Входное сопротивление: R вх = U вх/ I вх = U бэ/ I б.

Достоинства

- Большой коэффициент усиления по току.
- Большой коэффициент усиления по напряжению.
- Наибольшее усиление мощности.
- Можно обойтись одним источником питания.
- Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки

- Имеет меньшую температурную стабильность. Частотные свойства такого включения по сравнению со схемой с общей базой существенно хуже, что обусловлено эффектом Миллера.

### Схема с общим коллектором

 Схема включения с общим коллектором.

I вых = I э

I вх = I б

U вх = U бк

U вых = U кэ.

- Коэффициент усиления по току: I вых/ I вх = I э/ I б = I э/( I э-Iк) = 1/(1-α) = β+1 [β>>1].
- Входное сопротивление: R вх = U вх/ I вх = ( U бэ + U кэ)/ I б.

Достоинства

- Большое входное сопротивление.
- Малое выходное сопротивление.

Недостатки

- Коэффициент усиления по напряжению немного меньше 1.

Схему с таким включением часто называют « эмиттерным повторителем».

## Основные параметры

- Коэффициент передачи по току.
- Входное сопротивление.
- Выходная проводимость.
- Обратный ток коллектор-эмиттер.
- Время включения.
- Предельная частота коэффициента передачи тока базы.
- Обратный ток коллектора.
- Максимально допустимый ток.
- Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером.

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, независимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

- коэффициент усиления по току α;

- сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r э, r к, r б, которые представляют собой:

  - r э — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
  - r к — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
  - r б — поперечное сопротивление базы.

 Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой « h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

h 11 = U m1/ I m1, при U m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

h 12 = U m1/ U m2, при I m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

h 21 = I m2/ I m1, при U m2 = 0.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

h 22 = I m2/ U m2, при I m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2;I m2 = h 21 I m1 + h 22Um2.

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I m1 = I mб, I m2 = I mк, U m1 = U mб-э, U m2 = U mк-э. Например, для данной схемы:

h 21э = I mк/ I mб = β.

Для схемы ОБ: I m1 = I mэ, I m2 = I mк, U m1 = U mэ-б, U m2 = U mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

h11∍=rδ+r∍1−α{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}}{\displaystyle h_{11\backepsilon }=r_{\delta }+{\frac {r_{\backepsilon }}{1-\alpha }}};

h12∍≈r∍rκ(1−α){\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}{\displaystyle h_{12\backepsilon }\approx {\frac {r_{\backepsilon }}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}};

h21∍=β=α1−α{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}}{\displaystyle h_{21\backepsilon }=\beta ={\frac {\alpha }{1-\alpha }}};

h22∍≈1rκ(1−α){\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}{\displaystyle h_{22\backepsilon }\approx {\frac {1}{r_{\kappa }(1-\alpha )}}}.

С повышением частоты заметное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C к. Его реактивное сопротивление уменьшается, шунтируя нагрузку и, следовательно, уменьшая коэффициенты усиления α и β. Сопротивление эмиттерного перехода C э также снижается, однако он шунтируется малым сопротивлением перехода r э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе.
Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме ток коллектора изменяется с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

## Токи в транзисторе

 Токи в биполярном транзисторе

Токи в биполярном транзисторе имеют две основных составляющих.

- Ток основных носителей эмиттера I Э, который частично проходит в коллектор, образуя ток основных носителей коллектора I к осн, частично рекомбинирует с основными носителями базы, образуя рекомбинантный ток базы I бр.
- Ток неосновных носителей коллектора, который течёт через обратно смещённый коллекторный переход, образуя обратный ток коллектора I кбо.

## Биполярный СВЧ-транзистор

Биполярные СВЧ-транзисторы (БТ СВЧ) служат для усиления колебаний с частотой свыше 0,3 ГГЦ[8]. Верхняя граница частот БТ СВЧ с выходной мощностью более 1 Вт составляет около 10 ГГц. Большинство мощных БТ СВЧ по структуре относится к n-p-n типу[9]. По методу формирования переходов БТ СВЧ являются эпитаксиально-планарными. Все БТ СВЧ, кроме самых маломощных, имеют многоэмиттерную структуру (гребёнчатую, сетчатую)[10]. По мощности БТ СВЧ разделяются на маломощные (рассеиваемая мощность до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт)[11]. Выпускается большое число узкоспециализированных типов БТ СВЧ[11].

## Технологии изготовления транзисторов

## Применение транзисторов

## См. также

## Примечания

## Ссылки

## Литература

- Спиридонов Н.С. Основы теории транзисторов. — К.: Техника, 1969. — 300 с.
- Кулешов В.Н., Удалов Н.Н., Богачев В.М. и др. Генерирование колебаний и формирование радиосигналов. — М.: МЭИ, 2008. — 416 с. — ISBN 978-5-383-00224-7.

Пассивные

Активные

твердотельные

Активные вакуумные и

газоразрядные

Устройства отображения

Акустические

Термоэлектрические

Скрытые категории:

## Навигация

### Персональные инструменты

### Пространства имён

русский

### Просмотры

Ещё

### Поиск

### Навигация

### Участие

### Инструменты

### Печать/экспорт

### В других проектах

### На других языках