Биполярные транзисторы устройство принцип действия: Биполярные транзисторы полное описание | Техника и Программы

Биполярные транзисторы полное описание | Техника и Программы

Оглавление
Характеристики биполярного транзистора

Страница 1 из 2

 

 

 

 

 

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупроводнике три области с различными типами электропроводности. Одна крайняя область называется эмиттером (Э), другая — коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.
Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электропроводности базы. В зависимости от порядка чередования р- и n-областей различают транзисторы со структурой р-n-р и n-р-n. Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозначающего эмиттер.

Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзистора со структурой р-n-р.
Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низкочастотных не превышает 50 мкм.
При работе транзистора на его переходы поступают внешние напряжения от источника питания. В зависимости от полярности этих напряжений каждый переход может быть включен как в прямом, так и в обратном направлении. Различают три режима работы транзистора: 1) режим отсечки — оба перехода и, соответственно, транзистор полностью закрыты; 2) режим насыщения — транзистор полностью открыт;3) активный режим — это режим, промежуточный между двумя первыми. Режимы отсечки и насыщения совместно применяются в ключевых каскадах, когда транзистор попеременно то полностью   открыт,   то   полностью   заперт   с   частотой импульсов, поступающих на его базу.

Каскады, работающие в ключевом режиме, применяются в импульсных схемах (импульсные блоки питания, выходные каскады строчной развертки телевизоров и др.). Частично в режиме отсечки могут работать выходные каскады усилителей мощности.
Наиболее часто транзисторы применяются в активном режиме. Такой режим определяется подачей на базу транзистора напряжения небольшой величины, которое называется напряжением смещения (U см.) Транзистор приоткрывается и через его переходы начинает течь ток. Принцип работы транзистора основан на том, что относительно небольшой ток, текущий через эмиттерный переход (ток базы), управляет током большей величины в цепи коллектора. Ток эмиттера представляет собой сумму токов базы и коллектора.

 

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (

I_ЭБО) И коллектора (I_КБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

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 U_ЭБ и U_КБ. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется 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).

Для усиления сигналов применяется активный режим работы транзистора.

При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях.

Под действием прямого напряжения U_ЭБ происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n-типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n-переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n-перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора 

I_Кpне может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому I_Kp= h_21Б I_э
Величина h_21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов  h_21Б = 0,90…0,998. Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него протекает также обратный ток I_КБО, образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей базой
Iк =h21БI_э + I_КБО
Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд. Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I_Б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы
I_Б = I_{Б. рек} — I_КБО
В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока коллектора и тока эмиттера.

 

В предыдущей схеме электрическая цепь, образованная источником U_ЭБ, эмиттером и базой транзистора, называется входной, а цепь, образованная источником U_КБ, коллектором и базой этого же транзистора,— выходной. База является общим электродом транзистора для входной и выходной цепей, поэтому такое его включение называют схемой с общей базой, или сокращенно

«схемой ОБ».
На  следующем рисунке изображена схема, в которой общим электродом для входной и выходной цепей является эмиттер. Это схема включения с общим эмиттером, или сокращенно «схема ОЭ».

 

 

K_I – коэффициент усиления по току

K_U – коэффициент усиления по напряжению

K_P– коэффициент усиления по мощности

 

Предыдущая страница – Следующая страница

1. 3 Транзисторы

1.3. Транзисторы

Транзистор (англ. transistor

), полупроводниковый триод — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора – изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

Классификация транзисторов

1. По основному полупроводниковому материалу
2. С кремния,
3. С германия,
4. С арсенида,
5. С галлия.
6. По структуре
7. Биполярные n-p-n структуры, «обратной проводимости»; p-n-p структуры, «прямой проводимости».
8. Полевые с p-n переходом; с изолированным затвором–МДП-транзистор.
9. По мощности
10. Маломощные транзисторы до 100мВт.
11. Транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт.
12. Мощные транзисторы (больше 1 Вт).
13. По исполнению
14. Дискретные транзисторы.
15. Корпусные.
16. Для свободного монтажа.
17. Для установки на радиатор.
18. Для автоматизированных систем пайки.
19. бескорпусные.
20. Транзисторы в составе интегральных схем.
21. По материалу и конструкции корпуса
22. Металлостеклянный.
23. Металлокерамический.
24. Пластмассовый.

 

1.3.1 Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора, имеет 3 вывода (эмиттер, коллектор и базу). Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают n-p-n и p-n-p транзисторы.

В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»).

На рисунке 1.3.1.1 Представлена структурная схема и УГО биполярного транзистора типа n-p-n и p-n-p.

Реферат Биполярные транзисторы

скачать

Реферат на тему:

План:

Введение

• 1 Устройство и принцип действия
• 2 Режимы работы биполярного транзистора
  • 2.1 Нормальный активный режим
  • 2.2 Инверсный активный режим
  • 2.3 Режим насыщения
  • 2.4 Режим отсечки
  • 2.5 Барьерный режим
• 3 Схемы включения
  • 3.1 Схема включения с общей базой
  • 3.2 Схема включения с общим эмиттером
  • 3.3 Схема с общим коллектором
• 4 Основные параметры
• 5 Технология изготовления транзисторов
• 6 Применение транзисторов
Примечания

Введение

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

1. Устройство и принцип действия

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора^[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) 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) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

2. Режимы работы биполярного транзистора

2.1. Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)
U_ЭБ>0;U_КБ<0;

2. 2. Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

2.3. Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

2.4. Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

2.5. Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих схему элементов, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

3. 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

3.1. Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

• Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
• Коэффициент усиления по току: I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1]
• Входное сопротивление R_вх=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

• Хорошие температурные и частотные свойства.
• Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой :

• Малое усиление по току, так как α < 1
• Малое входное сопротивление
• Два разных источника напряжения для питания.

3.2. 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-I_к) = 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:

• Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

3. 3. Схема 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-I_к) = 1/(1-α) = β [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 меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

4. Основные параметры

• Коэффициент передачи по току
• Входное сопротивление
• Выходная проводимость
• Обратный ток коллектор-эмиттер
• Время включения
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы
• Обратный ток колектора
• Максимально допустимый ток
• Граничная частота коэффициента передачи по схеме с общим эмитером

5. Технология изготовления транзисторов

• эпитаксиально-планарная
• Сплавная
  • Диффузионный
  • Диффузионносплавной

6. Применение транзисторов

• Усилители, каскады усиления
• Генератор
• Модулятор
• Демодулятор (Детектор)
• Инвертор (лог. элемент)
• Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика, диодно-транзисторная логика, резисторно-транзисторная логика)

Биполярные и полевые транзисторы.

2.1. Полупроводниковый стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области электрического пробоя. На этом участке напряжение очень слабо зависит от тока, что и используется в практических целях для стабилизации напряжения при изменении в некоторых пределах тока через диод (рис. 2.1). Для изготовления стабилитронов используют кремний, поскольку кремниевые p-n переходы имеют небольшие обратные токи, не приводящие к саморазогреву полупроводника в области электрического пробоя. Напряжение пробоя U_{обр. ПР}, являющееся напряжением стабилизации U_СТ, зависит от параметров исходного полупроводника и технологии его обработки.

Стабилитроны включают в цепи постоянного тока, как показано на рис. 2.1, в.

 

Основными параметрами стабилитрона являются:

— U_ст — напряжение стабилизации при указанном номинальном токе стабилизации;

— I_ст._min, I_ст._max — минимальный и максимальный токи на участке стабилизации;

— дифференциальное сопротивление — характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации;

— температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) α _СТ , который определяет изменение в процентах напряжения U _СТ при изменении температуры окружающей среды на 1 ^○С:

при I _СT = const. Для кремниевых стабилитронов ТКН зависит от величины напряжения стабилизации: при U _СТ < 5,4 B он отрицателен, а при U _СТ > 5,4 B – положителен.

Стабилитроны включают в цепи постоянного тока, как показано на рис. 2.1, в. Эта схема носит название «параметрический стабилизатор напряжения».

Основные расчетные соотношения:

E_ср = 0,5(E_min + E_max) — среднее напряжение стабилизируемого источника;

I_ср = 0,5(I_min + I_max) — средний ток стабилитрона.

 

Ток нагрузки I_Н = U_CT / R_H. Сопротивление ограничительного резистора

R_ОГР = (Е_СР + U_СТ ) / (I_CT + I_H).

Кроме обычных стабилитронов промышленностью выпускаются двухсторонние стабилитроны, имеющие симметричную вольт–амперную характеристику относительно оси токов. При этом напряжение стабилизации при прямом смещении стабилитрона равно напряжению стабилизации при обратном смещении.

Стабисторы – это полупроводниковые диоды, прямое напряжение на которых слабо зависит от тока в заданном диапазоне, то есть стабисторы работают на прямой ветви ВАХ (рис. 2.2).

 

 

Основные парам

Устройство биполярного транзистора и принцип действия

Рис. 1. Устройство n-p-n транзистора и его условное обозначение. Биполярные транзисторы, определение, вольт — амперные характеристики, принцип работы и классификация полупроводниковых приборов мы подробно рассматривали на странице http://www.xn--b1agveejs.su/radiotehnika/202-bipolyarnye-tranzistory.html. Для того чтобы усвоить материал, одной статьи мало, две хорошо, а сотни статей еще лучше. В этой статье рассмотрим принцип действия биполярных транзисторов на простом, доступном языке. Биполярный транзистор состоит из двух p-n переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1. показана самая простая конструкция n-p-n транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями n-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона. Принцип действия биполярного транзистора Рис. 2. Иллюстрация работы транзистора: (а) тока базы нет, (б) ток базы течет. На рис. 2. показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером. В схеме, приведенной на рис. 2.(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 2.(б) переключатель S замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 2.(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 2.(б)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия биполярного транзистора. Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В1 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hFE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100. Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора. Ранее упоминалось, что при смещении p-n перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве. Эффекты второго порядка. Зависимость коллекторного тока от тока базы Рис. 3. Типичная зависимость коллекторного тока от тока базы в маломощном кремниевом транзисторе. На рис. 3. показан график зависимости коллекторного тока от тока базы для маломощного кремниевого транзистора: наблюдается линейная зависимость IC от IB в широком диапазоне значений коллекторного тока. Однако при малом токе базы коэффициент усиления тока несколько уменьшается. Этот эффект можно объяснить, рассматривая поведение электронов в базе: при очень малом базовом токе ничто не способствует электронам, попавшим из эмиттера в базу, достичь коллектора; только приблизившись к обедненному слою коллектор-база, они затягиваются полем. До этого электроны, совершая случайные блуждания, просто диффундируют сквозь базу, и любой из них может стать жертвой рекомбинации с какой-нибудь встретившейся дыркой. При больших значениях базового тока условия для электронов благоприятнее. Дырки, инжектируемые в виде базового тока, создают небольшое электрическое поле в базе, которое помогает электронам в их движении к обедненному слою. Таким образом, при умеренных токах коллектора (порядка 1 мА) коэффициент усиления тока будет больше, чем при малых токах коллектора (порядка 10 мкА). При очень больших токах коллектора, когда заселенность базы дырками становится слишком большой, усиление начинает падать. База ведет себя так, как будто она легирована сильнее, чем это есть в действительности, так что значительная часть тока, текущего через эмиттерный переход, состоит из дырок, движущихся из базы в эмиттер так же, как полезные электроны, двигающиеся в другом направлении, к коллектору. Таким образом, все большая и большая часть базового тока является «пустой породой» и поэтому коэффициент усиления тока падает. Этот эффект важен в мощных усилителях, где он может приводить к искажению формы сигнала при больших токах коллектора. В связи с тем, что зависимость коллекторного тока от тока базы является нелинейной, существуют два определения для коэффициента усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент усиления постоянного тока получается просто делением тока коллектора на ток базы; его обозначают hFE В или β и он важен для переключающих схем. Однако в большинстве случаев, когда речь идет об усилении, мы имеем дело только с небольшими приращениями коллекторного тока, и более подходящим способом определения коэффициента усиления тока является отношение приращения коллекторного тока к приращению тока базы, которое называется коэффициентом усиления тока hfe или β в режиме малого сигнала. Из рис. 3. следует, что hfe=ΔIC/ΔIB. Для большинства практических целей можно считать, что hFE и hfe равны. Ток утечки между коллектором и базой Хотя переход коллектор-база смещен в обратном направлении, все же существует очень небольшой ток утечки из коллектора в базу, обозначаемый ICBO поскольку он измеряется с разомкнутой цепью эмиттера. В кремниевом транзисторе при комнатной температуре ICBO очень мал, обычно менее 0,01 мкА. Однако в случае, когда транзистор включен в схему с общим эмиттером и цепь базы разорвана, как показано на рис. 2.(a), ток ICBO протекающий по переходу коллектор-база, должен течь в эмиттер, для которого он неотличим от внешнего тока базы. Таким образом, ICBO усиливается транзистором, и ток утечки между коллектором и эмиттером возрастает до значения ICEO = hFE/ICBO которое может доходить до 1 мкА. Поскольку ток ICBO в значительной степени является результатом теплового нарушения связей, он увеличивается приблизительно вдвое с ростом температуры на каждые 18 градусов Цельсия. Когда ICBO становится сравнимым с нормальным током коллекторной цепи, транзистор обычно считается слишком горячим. Кремниевые p-n переходы могут работать до 200 °С, а германиевые, имеющие много больший ток утечки, только до 85 °С. Когда кремниевый транзистор работает при комнатной температуре, токами ICBO и ICEO можно практически полностью пренебречь. В германиевом транзисторе при комнатной температуре (20 °С) ток ICBO имеет значение порядка 2 мкА, так что при hFE = 100 ток ICEO будет равен 200 мкА. Этот относительно большой ток утечки является той причиной, по которой германиевые транзисторы вышли из употребления, за исключением специальных целей, когда требуется малая разность потенциалов на германиевом p-n переходе, смещенном в прямом направлении. n-p-n и p-n-p транзисторы Описание работы транзистора, данное выше, относится к наиболее распространенным n-р-n транзисторам; также легко доступны р-n-р транзисторы, очень полезные для целого ряда комплементарных схем, так как они обладают характеристиками, идентичными с n-р-n транзисторами, но требуют напряжения питания противоположной полярности. Тогда как в n-р-n транзисторе ток коллектора состоит из электронов, в р-n-р транзисторе он состоит из дырок. Аналогично, ток базы является электронным током, а не дырочным. На рис. 4. показана структура р-n-р транзистора и его условное обозначение. Рис. 4. Устройство р-n-р транзистора и его условное обозначение.   Материалы по теме: Усилитель напряжения на биполярном транзисторе Транзисторы — режим насыщения

Как работает биполярный транзистор?

перейти к содержанию

• Дом
• Компоненты
  • Диоды
    • Полупроводниковый диод
    • Стабилитрон
    • Светодиодный диод
    • Органический светодиод (OLED)
    • Выпрямительный диод
    • Диод переменной емкости
    • Диод переключения
    • Туннельный диод
    • Фотодиод
    • Диод Ганна
    • Transil диод / TVS
  • Транзисторы
    • Транзистор биполярный
    • Что такое униполярный / полевой транзистор? — Основы и определение
    • БТИЗ-транзистор
    • Преобразователь напряжения
  • компонентов RLC
    • Резистор
    • Катушка / индуктор
    • Конденсатор
  • Активные компоненты
    Электронный усилитель
    • — Общая информация
    • Дифференциальный усилитель
    • Операционный усилитель
    • Усилитель мощности
    • Аналоговые и цифровые фильтры
    • Тиристор SCR
• курсов
  • Учебники по основам электроники
    • Основные законы и концепции в электронике — Часть 1
    • Основные законы и концепции в электронике — Часть 2
    • Учебник по основам электроники — Электронные задания
    • Сигналы в электронике — Аналоговые и цифровые типы сигналов
  • LTSpice tutorial — Бесплатное программное обеспечение для моделирования схем
  • Курс Altium Designer
    • Интерфейс
      • Основной интерфейс Altium
    • Создание библиотек
      • Схематическая библиотека
      • Библиотеки посадочных мест
• Учебники
• Устройства
• Задачи
  • Диоды
    • Задачи полупроводниковых диодов
    • Стабилитрон задачи
  • Транзисторы
    • Задачи биполярных переходных транзисторов
    • Задачи полевых транзисторов
  • Усилители
    • Задачи активных фильтров
    • Дифференциальные усилители задачи
    • Дифференциальные усилители амплитудных модуляторов задачи
    • Задачи операционного усилителя
    • Задачи селективного / настраиваемого усилителя
    • Малый усилитель сигнала задачи
  • Вьетнамки
    • Вьетнамки
• Свяжитесь с нами
• Форум
• Услуги

Меню

• Дом
• Компоненты
  • Диоды
    • Полупроводниковый диод
    • Стабилитрон
    • Светодиодный диод
    • Органический светодиод (OLED)
    • Выпрямительный диод

% PDF-1.2 % 604 0 объект > endobj xref 604 73 0000000016 00000 н. 0000001829 00000 н. 0000002001 00000 н. 0000002141 00000 п. 0000003870 00000 н. 0000004028 00000 н. 0000004094 00000 н. 0000004188 00000 п. 0000004286 00000 п. 0000004456 00000 п. 0000004635 00000 н. 0000004757 00000 н. 0000004887 00000 н. 0000005015 00000 н. 0000005136 00000 п. 0000005284 00000 п. 0000005397 00000 н. 0000005538 00000 п 0000005699 00000 н. 0000005805 00000 н. 0000005914 00000 н. 0000006021 00000 н. 0000006129 00000 н. 0000006251 00000 н. 0000006375 00000 н. 0000006546 00000 н. 0000006740 00000 н. 0000006845 00000 н. 0000006995 00000 н. 0000007175 00000 н. 0000007284 00000 н. 0000007391 00000 н. 0000007555 00000 н. 0000007672 00000 н. 0000007778 00000 н. 0000007891 00000 н. 0000008014 00000 н. 0000008144 00000 п. 0000008274 00000 н. 0000008433 00000 н. 0000008589 00000 н. 0000008698 00000 п. 0000008807 00000 н. 0000008927 00000 н. 0000009082 00000 н. 0000009197 00000 н. 0000009311 00000 п. 0000009440 00000 н. 0000009573 00000 п. 0000009697 00000 п. 0000009831 00000 н. 0000009956 00000 н. 0000010085 00000 п. 0000010214 00000 п. 0000010341 00000 п. 0000010471 00000 п. 0000010603 00000 п. 0000010757 00000 п. 0000010886 00000 п. 0000010998 00000 п. 0000011122 00000 п. 0000011264 00000 п. 0000011408 00000 п. 0000011492 00000 п. 0000011625 00000 п. 0000011733 00000 п. 0000013059 00000 п. 0000013678 00000 п. 0000013888 00000 п. 0000015061 00000 п. 0000015174 00000 п. 0000002182 00000 п. 0000003847 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 605 0 объект > >> endobj 606 0 объект Ų ܲ k «Qd}) / U (ܒ x2CN_U`) / P -60 >> endobj 607 0 объект > endobj 675 0 объект > ручей 1; 9 &! $ * X MesIX :.yq

D7 — МОП-транзистор

D7 — МОП-транзистор

2 MOS Устройства и регионы эксплуатации

2.1 Устройство и работа устройства — обзор

Щелкните диаграмму, чтобы увидеть 3D интерактивную модель

В состав устройства входят: —

умеренно легированная кремниевая подложка p-типа, в которую были размещены: две сильно легированные области n +, исток и сток .Между этой ложью: узкая область подложки p-типа, называемая каналом , покрыта: тонкий изолирующий слой SiO2, известный как оксид ворот . Над этим помещается: электрод из поликристаллического Si (поликремний), вентиль .

Во время работы положительный потенциал Vds приложен между стоком. и источник.

С нулевым напряжением затвора (Vgs = 0), для всех практических целей нет ток течет между истоком и стоком, потому что они эффективно изолированы от каждого другой — двумя обратносмещенными переходами pn на интерфейсах, образованных между источник / субстрат и сток / субстрат.

Если положительное напряжение приложено к затвору относительно источника, он производит электростатическое поле на подложке, которое притягивает электроны к затвору (и отталкивает дыры). Если напряжение достаточно велико, область под затвором будет преобразуется из p-типа в n-тип (за счет накопления привлеченных электронов) и образует проводящий путь (n-канал ) между истоком и стоком. Этот процесс называется инверсией . На диаграмме ниже показано расположение канала при различных условиях Vgs и Vds.

Обратите внимание, что этот принцип работы значительно отличается от биполярного. транзистор или диод, в котором полупроводниковые области обязаны своей проводимостью металлургический процесс легирования; в устройстве MOS, проводящий слой выполнен инверсией, через наличие электрического поля, приложенного к затвору.

Рисунок 2.2: Поведение устройства NMOS при различных напряжениях на клеммах

2.2 Регионы присутствия

Из прямого измерения их ВАХ можно увидеть, что МОП-устройства имеют три идентифицируемые области действия, описываемые уравнениями идеальной МОП : —

Обрезка область:

(накопление)

Область ненасыщенности (иногда известная как область линейного или триода ):

(слабая инверсия)

Насыщенность Область :

(сильная инверсия)

, где Vds , Vgs и Ids имеют свое обычное значение.Vt — это прибор пороговое напряжение .

b — коэффициент усиления МОП-транзистора, зависит от процесса. параметры и габариты устройства, и определяется как: —

где (типовые значения):

• м — эффективная подвижность носителей в канале транзистора (0,03 м2 / Вс)
• e — диэлектрическая проницаемость изолятора затвора (3,9 e 0 @ 35 10-12 Ф м-1)
• tox — толщина оксидного изолятора затвора (20 нм)
• W , L — ширина и длина токопроводящего канала (4 м м, 1м м)

b, таким образом, состоит из: —

a зависящий от процесса коэффициент : m e / tox ,

(определяется такими факторами, как плотность легирования и оксид затвора толщина)

, член , зависящий от геометрии: (W / L)

(что зависит от реальных габаритов компоновки устройства)

Приблизительное значение b n для a типичный 1 м процесса составляет 90 ( W / L ) м A / V2.

Эти уравнения известны как Schichmann-Hodges или, альтернативно, Shockley . уравнения. Они представляют собой простейшую практическую модель постоянного тока напряжения-тока. уравнения для устройства MOS.

Они игнорируют ряд значительных эффектов, некоторые из которых мы рассмотрим позже. Было разработано много более подробных и точных моделей для обеспечения большей точности и надежность для целей проектирования и моделирования.

Программа моделирования схем SPICE предоставляет параметр LEVEL , чтобы указать использованы точные уравнения модели.

2.3 Типовая вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика типичного NMOS-транзистора показана ниже для:

ненасыщенная область насыщенная область

Подходящая схема, которая может быть использована для получения этих кривых (с использованием схемы SPICE симулятор) также показан.

Рисунок 2.3: Идентификаторы в сравнении с Vds характеристика для типичного устройства NMOS или PMOS

Нажмите на диаграмма для посещения «Виртуальный МОП-транзистор — Java-апплет (лучше всего работает с Netscape 3) «

Пунктирная линия соответствует условию | Vds | = | Vgs — Vt |, и отмечает границу между ненасыщенными и насыщенных регионов.

Обратите внимание, что кривые справа от границы показывают зависимость от Vds что не предсказывается уравнениями SH.Это связано с модуляцией длины канала .

2,4 Пороговое напряжение

Пороговое напряжение Vt для транзистора NMOS может быть интерпретируется как напряжение, приложенное между затвором и источником, ниже которого Ids падает практически до нуля. В общем, Vt является функцией нескольких параметры, в том числе: —

• материал, используемый для электрода затвора (например,Металл Al или поликремний)
• Особенности диэлектрического материала затвора (диоксид кремния)
• толщина диэлектрика затвора tox
• канал плотности легирующей примеси
• Наличие примесей на границе Si-O
• потенциал между источником и подложкой (эффект тела)
• температура

3 Дополнительная технология МОП

В технологии CMOS выход закреплен на одной из шин питания с помощью проводящее ( на ) устройство, в то время как другое устройство служит нагрузкой эффективно бесконечное сопротивление.Это приводит к статическим свойствам, которые очень близки к свойствам идеальный инвертор.

Основные недостатки: —

• Относительно низкая скорость устройства PMOS (более низкая подвижность отверстия)
  Поэтому это устройство должно быть больше физически, чтобы компенсировать более низкую мобильность.
• Более сложный процесс изготовления.

3.1 Схема преобразователя CMOS

3.2 Статические характеристики и запас шума

Запас помехоустойчивости определяется следующим образом: —

Ток подается во время переключения инвертора. Оба транзистора проводят, когда:

В _Tn < В _in < В _DD — | V _Tp |

В течение этого интервала рассеивается электрическая мощность.

3.3 Запас помехоустойчивости

Чтобы гарантировать равные запасы помехоустойчивости для двух логических состояний КМОП-инвертора, он необходимо установить переключающий переход V _inv по центру передаточной характеристики (т. е. симметрично между потенциалы). Переход происходит в промежуточной точке вольт-амперной характеристики. И нагрузка, и драйвер насыщены и проводят одинаковый ток; выходное напряжение и входное напряжение равно В _inv .

С T _N и T _P как в насыщении, так и (Кирхгофа), только одно значение удовлетворяет этому условию.

Отсюда: —

Решение:, или :

Если (т.е. если транзисторы имеют одинаковый коэффициент усиления)

и если, (если их пороги совпадают)

, затем: . Однако

Устройства

P и N имеют разные значения, поскольку, и:

В кремнии подвижность дырок примерно вдвое меньше подвижности электронов.

Таким образом, P- и N-транзисторы с одинаковыми размерами будут иметь разное усиление.

Напоминая, что мы может соответствовать и, отрегулировав размеры так:

Резюме: есть два требования для истинно дополняющей работы (т.е. симметричный запас шума):

• пороговые напряжения одинаковой величины для устройств типа N и P
• W / L Передаточные числа должны масштабироваться обратно пропорционально м _N / м _P .Это гарантирует, что нагрузка и драйвер имеют одинаковую проводимость. В цифровых схемах часто бывает практика оставлять длину устройства L на минимально допустимом размере, и для управления W / L путем регулировки ширины. Такой подход приводит к минимуму площадь, занимаемая устройствами.

Таким подходом можно показать, что идеальный инвертор CMOS будет отображать теоретические Запас шума для переходов нарастания и спада 0.4 Vdd.

Только что приведенный анализ применим только для инвертора с одним входом. Где у ворот двое или больше входов, выбор W / L не может обеспечить действительно симметричный запас по шуму. Так же требование удовлетворения динамических ограничений (например, скорости переключения) означает, что Максимальный теоретический запас по шуму не может быть достигнут с реальными воротами.

3.4 Графическое отображение передаточной характеристики

Можно визуализировать установившуюся характеристику выходного напряжения преобразователя CMOS. более четко, учитывая взаимодействие отдельных устройств NMOS и PMOS характеристики.

Мы видим, что ток стока I _DN Устройство NMOS является функцией напряжения затвора В _GSN и его напряжение стока В _DSN . Тот же аргумент может быть применено к устройству PMOS, и, следовательно, I _DN и I _DP каждый может рассматриваться как функция V _в и V _из ; я.е.

I _DN = f (V _из , V _из ) I _DP = f ’(V _в , V _из )

Эти функции с двумя переменными могут быть представлены как поверхности в трехмерном виде. текущее пространство.

(a) Устройство NMOS (b) Устройство PMOS

Вольт-амперные поверхности

В установившемся режиме токи стока I _DN и I _DP должны быть равны; отсюда пересечение двух поверхности тока-напряжения дадут рабочую кривую схемы инвертора CMOS в трехмерное вольт-амперное пространство.

вертикальная проекция кривой пересечения на V _в — V _out Плоскость производит типичный CMOS VTC (уже полученный другими означает).

горизонтальный выступ на I _D — V _in показывает установившийся ток, потребляемый инвертором от источника питания, как функция В _в .

3.5 Скорость переключения

3.4.1 Время спада

Рассмотрим время падения t _f на выходной терминал.

Первоначально вход имеет низкий логический уровень , а выходной терминал имеет высокий логический уровень .

Предположим, что входной сигнал резко повышается

Прежде чем V _out может упасть до нуля, C _L должен быть сброшен через канал Т _Н

После переключения T _N будет на , ( V _in = V _DD ), и в насыщении , потому что V _DS имеет высокий .

T _N действует примерно как источник постоянного тока и:

I _DSN = k _N ( V _GSN — V _T ) ² (идеальное уравнение MOSFET), который не зависит от V _out

Этот ток продолжается, пока В _{на выходе} падает до В _{на выходе} достигает V _GSN — V _TN (или V _DD — V _TN ).

Другими словами, V _out падает через потенциал V _TN .

Время t _SAT , необходимое для разряда конденсатора C _L через этот потенциал определяется выражением: —

т _СБ = (1)

Как только V _{выходит} падает ниже V _DD — V _TN , T _N входит в область ненасыщения и начинает подчиняться соответствующему идеальному MOSFET уравнение: —

I _DSN =

Обратите внимание, что I _DSN зависит от V _out а также на V _на .

Определим дополнительное время, необходимое для разряда C _L до 0,1 В _DD

Это достаточно низкий уровень ( IL ), чтобы вызвать срабатывание следующего ведомого затвора. правильно.

т _ВНЕ-СБ =

= (2)

Объединяя (1) и (2), получаем: —

Общее время спада = t _SAT + t _NON-SAT

Аналогичный подход дает сопоставимое выражение для подъема на время t _r .

Пример: определить приблизительное выражение для t _f в CMOS, работающем при V _DD = 5 В. Предположим, что V _TN = 1 В.

Подставляя данные значения в полученное выше выражение, получаем: —

Общее время падения ~

Очевидно, как увеличить скорость этой простой схемы.

• Уменьшить C .
• Увеличение V _DD . Заманчивое предложение. Однако обратите внимание, что есть за это должен быть уплачен штраф в виде увеличения рассеиваемой мощности.

4 логических элемента CMOS — статическое поведение

Две основные формы логического элемента показаны ниже.

Рисунок 4.1 Принципиальная схема вентилей КМОП И НЕ и ИЛИ

Форма аналогична простому логическому инвертору, но с последовательным и параллельным комбинации, заменяющие одиночный драйвер и нагрузочные элементы.Одна из форм — топологическая модель . двойной другой. Этот принцип можно расширить для создания ворот с большим количеством входов.

4.1 Статическая симметрия

Так как полное сопротивление комбинации драйвера и нагрузки зависит от количества высоких и низкие входы, точная статическая симметрия (т.е. симметричный запас помехоустойчивости) может быть достигается для определенного набора значений входного сигнала. Правильный анализ запаса шума ведь даже сравнительно простые ворота с несколькими входами требуют компьютерного моделирования.

4.2 Боди-эффект (задний ход)

Body effect или back-gating возникает, когда источник устройства находится в разный потенциал от подложки.

Для устройства NMOS, когда потенциал источника увеличивается относительно подложки, кажущееся пороговое напряжение также возрастает.

Эти эффекты становятся более серьезными по мере увеличения сложности ворот.

Эффект тела можно точно смоделировать с помощью симулятора SPICE.

4.3 Уровень переключения

Смещение точки переключения из-за несовершенной симметрии неизбежно при многоступенчатые вентили и разбалансирует пределы шума. В таблице ниже показан этот эффект. смоделировано с помощью SPICE для различных возможных переходных условий для типичных трех входов Ворота NOR и NAND.

Примечание: в приведенной ниже таблице предполагается, что входы, не управляемые переходами, являются удерживается в 0 (ворота NOR) и V _DD (ворота NAND).V _DD принимается равным 5 вольт.

3 входа NOR				3 входа NAND
Входы	нм л	нм H	V ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ	Входы	нм л	нм H	V ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ
А	1.1	2,7	2,1	А	1,9	2,2	2,3
AB	0,85	3,3	1,6	A.B	2,5	1,5	2,8
A.B.C	0,8	3,6	1.3	A.B.C	2,8	1,2	3,1

Рисунок 4.3 Запас помехоустойчивости и точки переключения для 3 входных вентилей

4.4 Динамическое поведение вентилей с несколькими входами

Драйвер и нагрузочные элементы многоступенчатого входного затвора могут иметь несколько разных ВКЛ характеристики в зависимости от того, сколько параллельно подключенных устройств проводят.

Рисунок 4.4 Пути зарядки / разрядки наихудшего случая

Где параллельные устройства образуют заряд или разряд путь для нагрузки емкости, следует рассматривать наихудший случай, когда включено только одно устройство. В Тогда процедура определения задержки переключения такая же, как для инвертора. Если больше, чем одно устройство проводит, задержка будет пропорционально уменьшена.

Процесс зарядки или разрядки через несколько устройств, соединенных последовательно, осложняется эффектом тела , и потому что каждый транзистор испытывает разные напряжение затвор-исток. Строго говоря, устройства нельзя рассматривать как последовательную цепочку идентичные импедансы, хотя это дает полезное первое приближение. Если это сделано упрощение видно, что каждое устройство серии должно быть выполнено пропорционально более проводящий , увеличив W / L , чтобы получить то же последовательное сопротивление как соответствующий элемент простого инвертора.Моделирование обеспечивает более точные прогнозы производительности.

4,5 Паразитная емкость

Ключевым фактором, определяющим скорость логического элемента, является емкость нагрузки, которую он должен водить машину. На практике он состоит из нескольких компонентов, некоторые из которых находятся в этапы проезжают, в то время как другие лежат в самих воротах. Любой элемент полная система, которая изменяет свой потенциал в результате изменения входного напряжения, будет требовать, чтобы заряд был либо доставлен к нему, либо снят с него в соответствии с отношение: dQ = CdV.К элементам емкости нагрузки относятся: —

• входная емкость следующих ведомых каскадов
• соединительных емкостей с нижележащими проводниками
• обедняющих емкостей, связанных с переходами — это , зависящие от напряжения .

4.6 Схемы рукояти

.

No related posts.