Режимы транзистора: Максимальный постоянный ток через полевой транзистор / Хабр

Что собой представляет, как устроен и работает биполярный транзистор

Принципы работы. Режимы: нормальный (в активной области), отсечки и насыщения. За счёт чего усиливает транзистор? Сначала хотел приписать в названии темы малоприятные: «для начинающих» или «для чайников», но, слегка поразмыслив, пришёл к выводу — «А ведь далеко не каждый электронщик, считающий себя продвинутыми, понимает: как технологически устроен транзистор, за счёт чего он обладает усилительными свойствами, что влияет на характеристики транзистора и откуда появился этот загадочный зверь — «дырка»«. Начнём: Транзистор — это полупроводниковый электронный прибор, работающий по принципу взаимодействия двух, близко расположенных на кристалле p-n переходов. А коли прибор полупроводниковый, то это значит, что, как ни крути, а изготовлен транзистор из полупроводниковых материалов таких как: кремний, германий, индий и т. д. А что это такое — полупроводниковый материал или по-простому полупроводник? Полупроводники по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При температурах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля (-273,15°C), полупроводники обладают свойствами диэлектриков. Однако даже при незначительном повышении температуры, сопротивление полупроводника быстро уменьшается, и он начинает проводить электрический ток — т.е. становится проводящим. За счёт чего это происходит? С ростом температуры кристалл полупроводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, достаточную для того, чтобы часть отрицательно заряженных электронов покинуло свои атомы и перешло в межатомное пространство. Такие электроны называются свободными, а атомы кристаллической решётки, от которых отпочковались электроны, приобретают несбалансированный положительный заряд и получают условное название — «дырка». Таким образом, при температурах выше -273,15°C в кристалле чистого полупроводника содержится некоторое количество зарядов обоих знаков — свободные электроны и дырки. Если кристалл не содержит примесей, то в любой момент времени количество свободных электронов равно числу имеющихся в кристалле дырок. Другое дело, если к чистому полупроводнику подмешать некое вещество! В зависимости от свойств этой примеси мы можем получить: либо концентрацию дырок, намного превышающую концентрацию электронов (полупроводник p-типа), либо наоборот — превышение концентрации электронов над концентрацией дырок (полупроводник n-типа). Итак, p-полупроводник (от англ. positive) — это полупроводник с положительным дырочным типом проводимости, а n-полупроводник (от англ. negative) — с отрицательным электронным типом проводимости . Ну вот, а теперь можно переходить к описанию структурной схемы транзистора. Рис.1 Как следует из рисунка Рис.1, биполярные транзисторы — это приборы, изготовленные на основе трёхслойной полупроводниковой структуры. В зависимости от порядка чередования областей, различают изделия двух типов проводимости: прямой (p-n-p) и обратной (n-p-n). Легко заметить, что подобная комбинация полупроводников в транзисторе напоминает встречно-последовательное соединение двух диодов с общим катодом (p-n-p) либо анодом (n-p-n). Эта аналогия справедлива лишь в одном случае — она позволяет легко тестировать транзистор на предмет его живучести при помощи обычного омметра или мультиметра. Рассмотрим цепь, иллюстрирующую работу n-p-n транзистора типа в различных режимах. Рис.2 а) Режим отсечки тр-ра б) Активный режим тр-ра в) Режим насыщения тр-ра На Рис.2 приведено классическое включение транзистора n-p-n типа по схеме с общим эмиттером. Положительный вывод источника питания через нагрузку (в качестве которой в нашем случае выступает светодиод) подключается к коллектору транзистора, отрицательный — к эмиттеру полупроводника и для кучи — к земляной шине. Подадим нулевое смещение на базу транзистора (Рис.2 а)), посредством чего введём его в режим отсечки, соответствующий условию Uэб . В этом случае и эмиттерный, и коллекторный p-n-переходы оказываются запертыми, и в коллекторной цепи будет протекать лишь незначительный обратный ток Iко ≈ току обратно смещённого диода. Основные носители заряда (электроны в коллекторной/эмиттерной областях и дырки в базовой) сидят в отведённых областях и никуда выбираться не собираются, ввиду отсутствия воздействия на них какого-либо электрического поля. Другое дело если мы подадим между базой и эмиттером транзистора небольшое напряжение Uэб > 0,6—0,7 В (Рис.2 б)) и тем самым переведём его в активный (нормальный) режим. В данном режиме переход база-эмиттер оказывается включённым в прямом направлении (открыт), а переход база-коллектор — в обратном (закрыт): Поскольку прослойка р-полупроводника базы технологически сделана очень тонкой, положительное напряжение, приложенное к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до значительно большей по размеру n-области эмиттера. Под действием этого поля электроны из эмиттера направляются к базе и проникают внутрь неё. Малая часть электронов встречается и рекомбинирует (нейтрализуется) с дырками, являющимися основными носителями базы, но в связи с её малыми размерами (а соответственно и малым количеством дырок) бОльшая часть электронов проходит сквозь базу и доходит-таки до коллекторного перехода. Уменьшение числа дырок в базе, происходящее в результате рекомбинации, компенсируется источником питания Bat2 и обуславливает ток базы, который, как мы уже поняли — значительно меньше тока эмиттера, который находится в прямой зависимости к интенсивности потока электронов. Далее под действием электрического поля, создаваемого положительным потенциалом источника Bat1, электроны проникают из базы через p-n-переход в коллектор транзистора, выходят наружу и через источник питания замыкаются обратно в область эмиттера. Если дальше повышать напряжение на базе, то количество электронов, участвующих в процессе циркуляции по цепи также увеличится. Результатом будет являться незначительное (в абсолютном выражении) увеличение тока базы и значительное увеличение тока коллектора. А поскольку ток в цепи прямопропорционален интенсивности потока носителей заряда, то, исходя из всего вышесказанного и в соответствии с первым законом Кирхгофа, в транзисторе всегда существует следующее соотношение между токами: Iк = Iэ — Iб. Величина отношения токов коллектора и эмиттера характеризует такой параметр транзистора, как — коэффициент передачи тока α = Iк / Iэ. Из формул следует, что коэффициент передачи тока транзистора всегда меньше единицы и принимает значение ≈ 0,9-0,99. Усиливающее свойство транзистора заключается в том, что посредством относительно малого тока базы можно управлять большим током коллектора. Причём, в активном режиме — изменение тока коллектора прямо пропорционально изменению тока базы: ΔIк = ΔIб x h21э , где h31э (или β) — статический коэффициент передачи тока транзистора. Этот параметр является справочным и для разных полупроводников составляет величину от 10—12 до 200—300. И последний режим работы транзистора — режим насыщения (Рис 2 в)) или по-умному — режим двойной инжекции. При дальнейшем повышении уровня напряжения на базе, ток в коллекторной цепи Iк также увеличивается, что приводит (согласно закону Ома) к пропорциональному увеличению падения напряжения на нагрузке и, как следствие — уменьшению напряжения Uк. При определённом уровне этого напряжения Uк, коллекторный переход база-коллектор начнёт переходить в прямосмещённое (открытое) состояние, т.е. оба p-n перехода транзистора окажутся открытыми. Уровень напряжения на базе, при котором начинается этот процесс, называется Uбэ.нас, является справочной величиной и указывается при неком фиксированном токе коллектора. Физически, это прямое смещение КП приводит к тому, что не только эмиттер будет засылать (инжектировать) электроны в базу, но и коллектор — тоже. Движение этих коллекторных электронов противоположно направлению диффузионного тока эмиттера и активно препятствует дальнейшему повышению тока транзистора. В результате этого противостояния, ток коллектора практически перестаёт зависеть от дальнейшего увеличения уровня напряжения на базе и фиксируется на уровне, называемом Iк.нас. Ещё один паспортный параметр, характеризующий работу транзистора в режиме насыщения — Uкэ. нас показывает величину падения напряжения между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора. В связи с тем, что величина тока Iк.нас может принимать значения, значительно превышающие токи транзистора, находящегося линейном режиме, следует внимательно относиться к выбору коллекторной нагрузки, чтобы не превысить максимально допустимых значений мощностей как самого транзистора, так и нагрузки. В случае, изображённом на Рис 2 в), этот выходной ток будет явно выше 20мА, допустимых для светодиода, что собственно говоря, и отображено на схеме. Рис.3 Ну и под занавес приведу пример работы транзисторного каскада ОЭ в активном режиме (Рис.3). Переменный резистор R1 принимает значения от 0 (в верхнем положении) до 680кОм (в нижнем). В первом приближении — изменением значения напряжения Uбэ можно пренебречь и считать его равным Uбэ ≈ 0,6 В. Тогда, согласно закону Ома, в верхнем положении потенциометра ток базы будет равен: Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/51к = 0,16 мА, а в нижнем: Iб ≈ (UBat1 — Uбэ)/(R1+R2) = (9в-0,6в)/(51к +680к) = 0,011 мА, А поскольку мы помним, что Iк = Iб x h21э, то в верхнем положении R1 — Iк = 16мА, т.е. яркость светодиода близка к максимальной. В нижнем положении R1 — Iк = 1,1мА, т.е. светодиод не светится, либо светится очень слабо. В промежуточных положениях ручки потенциометра — токи, а соответственно и яркость свечения, также принимают промежуточные значения. На следующей странице рассмотрим эквивалентную схему транзистора, а также свойства и характеристики различных типов усилительных каскадов.

3. Биполярные транзисторы. Физические основы электроники. Курс лекций

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

3.2.1. Схема с общей базой

3.2.2. Схема с общим эмиттером

3.2.3. Влияние температуры на статические характеристики БТ

3.3. Дифференциальные параметры биполярного транзистора в статическом режиме

3.4. Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора

3.5. Частотные свойства биполярного транзистора

3.6. Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов

3. 7. Работа транзистора в усилительном режиме

3.8. Особенности работы транзистора в импульсном режиме

3.8.1. Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды

3.8.2. Работа транзистора в режиме переключения

3.8.3. Переходные процессы при переключении транзистора

3.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

3.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко — на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых показаны на рисунке 3.1.

а)	б)
Рисунок 3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n₁⁺-p меньше, чем у перехода n₂-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n₁ с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂).

Рисунок 3.2

Сильнолегированная область обозначена верхним индексом “+” (n⁺). Поэтому БТ является асимметричным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних областей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁⁺) называется эмиттером, а область n₂ — коллектором. Соответственно переход n₁⁺-р называют эмиттерным, а n₂-pколлекторным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Правая область n⁺ служит для снижения сопротивления коллектора. Контакты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э — эмиттер; Б — база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой — дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источников питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

а)	б)	в)
Рисунок 3.3.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер — база U_ЭБ), а на коллекторном переходе — обратное (напряжение коллектор — база U_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников питания на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Рисунок 3.4.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, которая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектированных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный переход не создает потенциального барьера для подошедших носителей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собирательная” способность этого перехода и обусловила название “коллектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный — обратное U_ЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, которые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллекторном переходах являются прямыми одновременно, называют режимом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмиттер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют режимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают малые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источников питания U_ЭБ и U_КБ. В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника (U_ЭБ = -U_БЭ), а напряжение коллекторного перехода зависит от напряжений обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов U_КБ = U_КЭ + U_ЭБ. Так как U_ЭБ = -U_БЭ, тo U_КБ = U_КЭ — U_БЭ; при этом напряжение источников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и отрицательным — в другом случае. В схеме включения с общим коллектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником: U_КБ = -U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = U_ЭК — U_БК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2. Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение U_ЭБ. Поэтому прямой ток перехода

, (3.1)

где I_{э р}, I_{э n} — инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а I_эрек — составляющая тока, вызванная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода I_э в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие I_эр и I_эn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. Если вклад I_{э рек} незначителен, то вместо (3.1) можно записать

. (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток I_{э р}, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера I_{э n} и I_{э рек} протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты I_{э n}, I_{э рек} должны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера

, (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составляет полезный компонент. В случае пренебрежения током I_{э рек}

. (3.4)

Коэффициент инжекции g _Э «тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение I_{э n}/ I_{э р}. Величина I_{э n}/ I_{э р} << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора N_АЭ на несколько порядков выше концентрации доноров N_ДБ в базе (N_АЭ >> N_ДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Какова же судьба дырок, инжектированных в базу из эмиттера, определяющих полезный ток I_Эр? Очевидно, что инжектированные дырки повышают концентрацию дырок в базе около границы с эмиттерным переходом, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок — неосновных носителей базы. Этот градиент обусловливает диффузионное движение дырок через базу к коллекторному переходу. Очевидно, что это движение должно сопровождаться рекомбинацией части потока дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок I_{Б рек}, так что ток подходящих к коллекторному переходу дырок

. (3.5)

Относительные потери на рекомбинацию в базе учитывают коэффициентом переноса:

. (3.6)

Коэффициент переноса показывает, какая часть потока дырок, инжектированных из эмиттера в базу, подходит к коллекторному переходу. Значение c _Б тем ближе к единице, чем меньшее число инжектированных дырок рекомбинирует с электронами — основными носителями базовой области. Ток I_Брек одновременно характеризует одинаковую потерю количества дырок и электронов. Так как убыль электронов в базе вследствие рекомбинации в конце концов покрывается за счет прихода электронов через вывод базы из внешней цепи, то ток I_Брек следует рассматривать как составляющую тока базы наряду с инжекционной составляющей I_{Э n}.

Чтобы уменьшить потери на рекомбинацию, т.е. увеличить c _Б, необходимо уменьшить концентрацию электронов в базе и ширину базовой области. Первое достигается снижением концентрации доноров N_{д Б}. Это совпадает с требованием N_АЭ/N_ДБ, необходимым для увеличения коэффициента инжекции. Потери на рекомбинацию будут тем меньше, чем меньше отношение ширины базы W_Б и диффузионной длины дырок в базовой области L_{p Б}. Доказано, что имеется приближенное соотношение

. (3.7)

Например, при W_Б/L_{p Б} = 0,1 c _Б = 0,995, что очень мало отличается от предельного значения, равного единице.

Если при обратном напряжении в коллекторном переходе нет лавинного размножения проходящих через него носителей, то ток за коллекторным переходом с учетом (3.5)

(3.8)

С учетом (3.6) и (3.3) получим

, (3.9)

где

. (3.10)

Это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера называет статическим коэффициентом передачи тока эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую I_КБО, которая протекает в цепи коллектор — база при I_Э = 0 (холостой ход, “обрыв” цепи эмиттера), и не зависит от тока эмиттера. Это обратный ток перехода, создаваемый неосновными носителями областей базы и коллектора, как в обычном p-n переходе (диоде).

Таким образом, полный ток коллектора с учетом (3.8) и (3.10)

. (3.11)

Из (3.11) получим обычно используемое выражение для статического коэффициента передачи тока:

, (3.12)

числитель которого (I_К — I_КБО) представляет собой управляемую (зависимую от тока эмиттера) часть тока коллектора, I_Кр. Обычно рабочие токи коллектора I_К значительно I_КБО, поэтому

. (3.13)

С помощью рисунка 3.4 можно представить ток базы через компоненты:

. (3.14)

По первому закону Кирхгофа для общей точки

. (3.15)

Как следует из предыдущего рассмотрения, I_К и I_Б принципиально меньше тока I_Э; при этом наименьшим является ток базы

. (3.16)

Используя (3.16) и (3.11), получаем связь тока базы с током эмиттера

. (3.17)

Если в цепи эмиттера нет тока (I_Э = 0, холостой ход), то I_Б = -I_КБО, т. е. ток базы отрицателен и по величине равен обратному току коллекторного перехода. При значении I^*_Э = I_КБО /(1-a ) ток I_Б = 0, а при дальнейшем увеличении I_Э (I_Э>I^*_Э) ток базы оказывается положительным.

Подобно (3.11) можно установить связь I_К с I_Б. Используя (3.11) и (3.15), получаем

, (3.18)

где

(3.19)

— статический коэффициент передачи тока базы. Так как значение a обычно близко к единице, то b может быть очень большим (b >>1). Например, при a = 0,99 b = 99. Из (3.18) можно получить соотношение

. (3.20)

Очевидно, что коэффициент b есть отношение управляемой (изменяемой) части коллекторного тока (I_К — I_КБО) к управляемой части базового тока (I_Б + I_КБО). Действительно, используя (3.14), получаем

.

Все составляющие последнего выражения зависят от I_Э и обращаются в нуль при I_Э = 0. Введя обозначение

, (3.21)

можно вместо (3.18) записать

. (3.22)

Отсюда очевиден смысл введенного обозначения I_КЭО это значение тока коллектора при нулевом токе базы (I_Б = 0) или при “обрыве” базы. При I_Б = 0

I_К = I_Э, поэтому ток I_КЭО проходит через все области транзистора и является “сквозным” током, что и отражается индексами “К” и “Э” (индекс “О” указывает на условие I_Б = 0).

3.2. Статические характеристики биполярных транзисторов

Обычно анализируют входные и выходные характеристики БТ в схемах с общей базой и общим эмиттером. Для определенности и преемственности изложения будем рассматривать p-n-p-транзистор.

3.2.1. Схема с общей базой

Семейство входных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимость I_Э = f(U_ЭБ) при фиксированных значениях параметра U_КБ — напряжения на коллекторном переходе (рисунок 3.5,а).

а)	б)
Рисунок 3.5

При U_КБ = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода. С ростом обратного напряжения U_КБ (U_КБ < 0 для p-n-p-транзистора) вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_Э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_Э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_КБ < 0 и U_ЭБ = 0 существует небольшой ток эмиттера I_Э0, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении U_ЭБ0.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости I_К = f(U_КБ) при заданных значениях параметра I_Э (рисунок 3.5,б).

Выходная характеристика p-n-p-транзистора при I_Э = 0 и обратном напряжении |U_КБ < 0| подобна обратной ветви p-n-перехода (диода). При этом в соответствии с (3.11) I_К = I_КБО, т. е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи коллектор — база.

При I_Э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей (дырок в p-n-p транзисторе) доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток при U_КБ = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине (например, точка А’ на рисунок 3.5,б). Чем больше заданный ток I_Э, тем большее прямое напряжение U_КБ требуется для получения I_К = 0.

Область в первом квадранте на рис. 3.5,б, где U_КБ < 0 (обратное) и параметр I_Э > 0 (что означает прямое напряжение U_ЭБ) соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется формулой (3.11) I_К = a I_Э + I_КБО. Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_Э. В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока a можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_КБ|. Следовательно, в идеализированном БТ выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_К = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_КБ| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту a . Так как значение a близко к единице, то относительное увеличение а очень мало и может быть обнаружено только измерениями. Поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх “на глаз” не заметно (на рису

Режимы работы биполярного транзистора:

— Нормальный активный режим

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

— Инверсный активный режим

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

— Режим насыщения

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

— Режим отсечки

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

— Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а вколлекторную 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.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

— Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

— Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх

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: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]

— Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

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.

Схема включения с общим эмиттером

Iвых = Iк

Iвх = Iб

Uвх = Uбэ

Uвых = Uкэ

— Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]

— Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

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

Схема с общим коллектором

Iвых = Iэ

Iвх = Iб

Uвх = Uбк

Uвых = Uкэ

— Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1]

— Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб

Достоинства:

— Большое входное сопротивление

— Малое выходное сопротивление

Недостатки:

— Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением 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 колектора

— Максимально допустимый ток

— Граничная частота коэффициента передачи по схеме с общим эмитером

Технология изготовления транзисторов

— эпитаксиально-планарная

— сплавная

— диффузионный

— диффузионносплавной

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)

Полевой транзистор

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Схемы включения полевых транзисторов

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Классификация полевых транзисторов

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом — это полевой транзистор, затвор которого изолирован (то есть отделён в электрическом отношении) от канала p-n переходом, смещённым в обратном направлении.

Рис. 1. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещённых в обратном направлении (см. рис. 1). При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. Но при этом полевой транзистор существенно отличается от вакуумного триода. Во-первых, для работы полевого транзистора не требуется подогрева катода. Во-вторых, любую из функций истока и стока может выполнять каждый из этих электродов. В-третьих, полевые транзисторы могут быть сделаны как с n-каналом, так и с p-каналом, что позволяет удачно сочетать эти два типа полевых транзисторов в схемах.

От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов.

Области применения полевых транзисторов

Значительная часть производимых в настоящий момент полевых транзисторов входит в состав КМОП-структур, которые строятся из полевых транзисторов с каналами разного (p- и n-) типа проводимости и широко используются в цифровых и аналоговых интегральных схемах.

За счёт того, что полевые транзисторы управляются полем (величиной напряжения приложенного к затвору), а не током, протекающим через базу (как в биполярных транзисторах), полевые транзисторы потребляют значительно меньше энергии, что особенно актуально в схемах ждущих и следящих устройств, а также в схемах малого потребления и энергосбережения (реализация спящих режимов).

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные кварцевые часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет, потому что практически не потребляют энергии.

Грандиозными темпами развиваются области применения мощных полевых транзисторов. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет получить повышенную чистоту спектра излучаемых радиосигналов, уменьшить уровень помех и повысить надёжность радиопередатчиков. В силовой электронике ключевые мощные полевые транзисторы успешно заменяют и вытесняют мощные биполярные транзисторы. В силовых преобразователях они позволяют на 1-2 порядка повысить частоту преобразования и резко уменьшить габариты и массу энергетических преобразователей. В устройствах большой мощности используются биполярные транзисторы с полевым управлением (IGBT) успешно вытесняющие тиристоры. В усилителях мощности звуковых частот высшего класса HiFi и HiEnd мощные полевые транзисторы успешно заменяют мощные электронные лампы, так как обладают малыми нелинейными и динамическими искажениями.

Биполярный транзистор — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Обозначение биполярных транзисторов на схемах. Направление стрелки показывает направление тока через эмиттерный переход, и служит для идентификации n-p-n и p-n-p транзисторов. Наличие окружности символизирует транзистор в индивидуальном корпусе, отсутствие — транзистор в составе микросхемы.

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Биполя́рный транзи́стор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы два p-n-перехода, перенос заряда через которые осуществляется носителями двух полярностей — электронами и дырками. Именно поэтому прибор получил название «биполярный» (от англ. bipolar), в отличие от полевого (униполярного) транзистора.

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

Устройство

Упрощенная 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^[1].

С точки зрения типов проводимостей эмиттерный и коллекторный слои не различимы, но при изготовлении они существенно различаются степенью легирования 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-

Работа биполярного транзистора. Режим усиления

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем осваивать биполярный транзистор и сегодня мы рассмотрим его работу в режиме усиления на примере простого усилителя звуковой частоты, собранного на одном транзисторе.

В режиме усиления транзисторы работают в схемах радиовещательных приемников и усилителях звуковой частоты (УЗЧ). При работе используются малые токи в базовой цепи транзистора, управляющие большими токами в коллекторной цепи. Этим и отличается режим усиления от режима переключения, который лишь открывает или закрывает транзистор под действием напряжения Uб на базе.

1. Схема усилителя.

В качестве эксперимента соберем простой усилитель на одном транзисторе и разберем его работу.

В коллекторную цепь транзистора VT1 включим высокоомный электромагнитный телефон BF2, между базой и минусом источника питания GB установим резистор Rб, и развязывающий конденсатор Cсв, включенный в базовую цепь транзистора.

Конечно, сильного усиления от такого усилителя мы не услышим, да и чтобы услышать звук в телефоне BF1 его придется очень близко преподнести к уху. Так как для громкого воспроизведения звука нужен усилитель как минимум с двумя-тремя транзисторами или так называемый двухкаскадный усилитель. Но чтобы понять сам принцип усиления, нам будет достаточно и усилителя, собранного на одном транзисторе или однокаскадном усилителе.

Усилительным каскадом принято называть транзистор с резисторами, конденсаторами и другими элементами схемы, обеспечивающими транзистору условия работы как усилителя.

2. Работа схемы усилителя.

При подаче напряжения питания в схему, на базу транзистора через резистор Rб поступает небольшое отрицательное напряжение 0,1 — 0,2В, называемое напряжением смещения. Это напряжение приоткрывает транзистор, и через эмиттерный и коллекторный переходы начинает течь незначительный ток, который как бы переводит усилитель в дежурный режим, из которого он мгновенно выйдет, как только на входе появится входной сигнал.

Без начального напряжения смещения эмиттерный p-n переход будет закрыт и, подобно диоду, «срезать» положительные полупериоды входного напряжения, отчего усиленный сигнал будет искаженным.

Если на вход усилителя подключить еще один телефон BF1 и использовать его как микрофон, то телефон будет преобразовывать звуковые колебания в переменное напряжение звуковой частоты, которое через конденсатор Ссв будет поступать на базу транзистора.

Здесь, конденсатор Ссв выполняет функцию связующего элемента между телефоном BF1 и базой транзистора. Он прекрасно пропускает напряжение звуковой частоты, но преграждает путь постоянному току из базовой цепи к телефону BF1. А так как телефон имеет свое внутреннее сопротивление (около 1600 Ом), то без этого конденсатора база транзистора через внутреннее сопротивление телефона была бы соединена с эмиттером по постоянному току. И естественно, ни о каком усилении сигнала речи и быть не могло.

Теперь, если начать говорить в телефон BF1, то в цепи эмиттер-база возникнут колебания электрического тока телефона Iтлф, которые и будут управлять большим током в коллекторной цепи транзистора. И уже этот усиленный сигнал, преобразованный телефоном BF2 в звук, мы и будем слышать.

Сам процесс усиления сигнала можно описать следующим образом.
При отсутствии напряжения входного сигнала Uвх, в цепях базы и коллектора текут небольшие токи (прямые участки графиков а, б, в), определяемые напряжением источника питания, напряжением смещения на базе и усилительными свойствами транзистора.

Как только в цепи базы появляется входной сигнал (правая часть графика а), то соответственно ему начинают изменяться и токи в цепях транзистора (правая часть графиков б, в).

Во время отрицательных полупериодов, когда отрицательное входное Uвх и напряжение источника питания GB суммируются на базе — токи цепей увеличиваются.

Во время же положительных полупериодов, кода напряжение входного сигнала Uвх и источника питания GB положительны, отрицательное напряжение на базе уменьшается и, соответственно, токи в обеих цепях также уменьшаются. Вот таким образом и происходит усиление по напряжению и току.

Если же нагрузкой транзистора будет не телефон а резистор, то создающееся на нем напряжение переменной составляющей усиленного сигнала можно будет подать во входную цепь второго транзистора для дополнительного усиления.

Один транзистор может усилить сигнал в 30 – 50 раз.

На рисунке ниже показана зависимость тока коллектора от тока базы.

Например. Между точками А и Б ток базы увеличился от 50 до 100 мкА (микроампер), то есть составил 50 мкА, или 0,05 mA. Ток коллектора между этими точками возрос от 3 до 5,5 mA, то есть вырос на 2,5 mA. Отсюда следует, что усиление по току составляет: 2,5 / 0,05 = 50 раз.

Точно также работают транзисторы структуры n-p-n. Но для них полярность включения источника питания, питающей цепи базы и коллектора меняется на противоположную. То есть на базу и коллектор подается положительное, а на эмиттер отрицательное напряжения.

Запомните: для работы транзистора в режиме усиления на его базу, относительно эмиттера, вместе с напряжением входного сигнала обязательно подается постоянное напряжение смещения, открывающее транзистор.

Для германиевых транзисторов отпирающее напряжение составляет не более 0,2 вольта, а для кремниевых не более 0,7 вольта.

Напряжение смещения на базу не подают лишь в том случае, когда эмиттерный переход транзистора используют для детектирования радиочастотного модулированного сигнала.

3. Классификация транзисторов по мощности и по частоте.

В зависимости от максимальной мощности рассеивания биполярные транзисторы делятся на:

1. малой мощности — Pmax ≤ 0,3 Вт;
2. средней мощности — 0,3 3. большой мощности — Pmax > 1,5 Вт.

В зависимости от значения граничной частоты коэффициента передачи тока на транзисторы:

1. низкой частоты – fгр ≤ 3 МГц;
2. средней частоты – 3 МГц 3. высокой частоты — 30 МГц 4. сверхвысокой частоты (СВЧ-транзисторы) — fгр > 300 МГц.

Ну вот и все.
Теперь у Вас не должно возникнуть вопросов о работе биполярного транзистора в режиме усиления.
Удачи!

Литература:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Е. Айсберг — Транзистор?.. Это очень просто! 1964г.

Биполярный транзистор и принцип его работы, режимы и схемы, особенности переходов

На определённом этапе времени всем привычные электронные лампы были заменены транзисторами. И это не удивительно, поскольку они имеют гораздо меньший размер, более надёжные и затрачивают гораздо меньше энергии. Такое большое количество положительных сторон привело к тому, что на сегодняшний день биполярные транзисторы являются главными элементами практически всех усилительных схем.

Составные части устройства

Биполярный транзистор разделяется на три основные части:

1. Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
2. База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
3. Коллектор – слой полупроводника, задачей которого является собрать все заряды, которые прошли через базу.

Как правило, область эммитера немного уже, чем у коллектора. Поскольку изготовление базы происходит из слаболегированного полупроводника, то она является очень тонкой. В результате того, что площадь контакта между эммитером и базой гораздо уже, чем между базой и коллектором, то произвести замену коллектора и эмиттера просто невозможно, даже при большом желании. Подобная ситуация приводит к тому, что биполярный транзистор считается устройством, в котором отсутствует симметрия.

Биполярный транзистор — принцип работы

Принцип действия биполярного транзистора представлен ниже.

Когда транзистор включают в режиме усиления, открывается эммитерный переход, и закрывается переход коллектора. Это происходит в результате подключения источников питания.

Из-за того, что переход эммитера находится в открытом положении, через него происходит переход эммитерного тока, он образуется в результате перехода дырок из базового слоя транзистора в эммитер и аналогичного перехода электронов из эммитера в базовый слой.

В результате этого эммитерный ток состоит из двух основных частей – дырочной и электронной.

Чтобы определить коэффициент инжекции, следует разобраться с уровнем эффективности эммитера.

Инжекция зарядов – это перемещение элементов, содержащих в себе заряд из зоны, где они играли основную роль, в зону, где они стали неосновными.

В базовом слое транзистора происходит рекомбинация электронов, а восполнение их концентрации происходит за счёт плюса источника ЭГ. В итоге электрическая цепь базового слоя биполярного транзистора содержит в себе достаточно слабый ток.

А те электроны, которые попросту не успели поддаться процессу рекомбинации в базовом слое, с помощью разгоняющего воздействия закрытого коллекторного перехода перемещаются в него, и происходит образование коллекторного тока. В результате этого наблюдается экстракция электрических зарядов (переход элементов, которые содержат в себе заряд из зоны, где они играли второстепенную роль в зону, где они играют главную роль).

Вот и весь принцип работы биполярного транзистора.

Режимы функционирования устройства

На этом этапе времени выделяют следующие режимы работы биполярного транзистора:

1. Активный инверсный режим. В этом случае открыт переход между базовым и коллекторным слоями, а переход между базой и эммитером закрыт. Усилительные свойства в данном режиме очень плохие, поэтому в таком состоянии транзисторы используют в редчайших ситуациях.
2. Насыщение. Оба вышеуказанных перехода находятся в открытом состоянии. В результате этого элементы коллектора и эммитера, которые содержат в себе заряд, перемещаются в базовый слой, где происходит их активная рекомбинация с основными элементами базы. Из-за чрезмерного количества зарядов происходит снижение сопротивляемости базы, наблюдается уменьшение p — n переходов. В режиме насыщения, цепь транзистора имеет вид короткозамкнутой, а данный элемент представлен в роли эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода в биполярном транзисторе закрыты, соответственно, происходит прекращение тока основных носителей заряда между коллекторным и эммитерным слоями. Потоки второстепенных зарядов способны только создавать неуправляемые и малые токи. В результате скудности базового слоя и перемещения носителей зарядов сопротивление вышеуказанных токов в значительной мере возрастает. Из-за подобной работы достаточно часто бытует мнение, что устройство, работающее в таком режиме, являет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим. В данном режиме базовый слой прямо или с помощью малого сопротивления замыкается с коллекторным слоем. В этом случае, в цепь коллектора или эммитера необходимо включить резистор, который через транзистор начинает задавать ток. В результате такой работы происходит образование эквивалента схемы диода, которая имеет последовательно включённое сопротивление. В подобном состоянии устройства схема способна работать при различных температурных режимах и при разнообразных параметрах транзистора.

Схемы включения транзисторов биполярного типа

Из-за того, что транзистор имеет три контакта, то питание на него следует подавать из 2 источников, сумма которых образует четыре вывода. Подобное действие приводит к тому, что в один из контактов устройства происходит подача напряжения одного знака из различных источников.

С учётом того, в какой контакт производится подача напряжения, выделяют три типа схем включения биполярных транзисторов:

• с эммитерным слоем;
• с коллекторным слоем;
• с базовым слоем.

Каждая из вышеуказанных схем имеет свои преимущества и недостатки.

Схема включения с общим эммитерным слоем

Данная схема создаёт самое большое усиление по току и напряжению. Благодаря таким её свойствам она и является самой распространённой. В данном случае присутствует прямой переход между эммитерным и базовым слоями и обратный переход между базой и коллектором. А тот факт, что на них осуществляется подача напряжения одного знака, способствует тому, что схему можно напитать с помощью одного источника.

Среди отрицательных сторон схемы можно выделить то, что возрастание частоты и температурного режима способствует значительному снижению усилительных свойств устройства. В результате этого следует отметить, что если необходима работа транзистора на высоких частотах, то от использования этой схемы желательно отказаться.

Схема включения с общим базовым слоем

Данная схема создаёт среднее усиление сигнала, но зато она прекрасно подходит для работы на высоких частотах. Если одно и то же устройство будет сначала функционировать по первой схеме, а затем по этой, то можно будет наблюдать значительный рост граничной частоты усиления. Из-за того, что в этой схеме заниженное сопротивление входа и среднее сопротивление выхода, то её лучше использовать в случае наличия антенных усилителей, в которых волновое сопротивление кабелей составляет не более ста Ом.

Среди минусов можно выделить тот момент, что для того, чтобы напитать устройство, требуется использовать 2 источника питания.

Схема включения с общим коллекторным слоем

Среди других схем выделяется тем, что наблюдается полная передача напряжения обратно на вход – это указывает на сильнейшую отрицательную обратную связь.

Уровень усиления по току практически равен значению, присутствующему в первой схеме. Но вот уровень усиления по напряжению очень маленький, что является одним из главных недостатков данной схемы.

Разобраться в особенностях работы биполярного транзистора и его схем достаточно просто, главное — постараться вникнуть.

Transistor Mod 1.12.2 (Необычное оружие из транзистора)

Домашняя страница »Моды для Minecraft» Transistor Mod 1.12.2 (Необычное оружие из транзистора)

Автор: LatvianModder ❘ 21 января 2019 ❘ 9252 просмотра

Transistor Mod 1.12.2 основан на игре Transistor. Если вы еще не играли в нее, вам стоит попробовать! Он работает почти как транзистор в игре, за исключением того, что функции больше похожи на Minecraft.

Особенности:

• Верхние слоты — это ваши доступные функции.Вы не можете ни удалить их, ни разблокировать за баллы. Вы можете разблокировать их только путем повышения уровня.
• 4 больших центральных слота — это ваши атаки, они же функции, которые будут использоваться при нажатии левой кнопки мыши. Их не нужно разблокировать.
• 2 слота под каждой атакой — это слоты обновления. Поместите функцию в один из них, когда у вас установлена ​​атака, и она применит к ней модификатор. Их можно разблокировать за 1 очко каждый.
• 2 слота слева от атаки + 2 слота справа от атаки являются пассивными.Функции, помещенные в них, будут изменять игрока, пока они там есть. Некоторые пассивные умения требуют энергии, некоторые — нет. Их можно разблокировать за 2 очка каждый.
• Первая полоса — это память — у каждой функции разные требования к памяти (от 1 до 4), и они используют память при установке. Вы можете обновить память за 1 балл.
• Вторая полоска — Энергия — максимальная Энергия — Память * 1000, поэтому разблокировка Памяти также дает вам больше Энергетической емкости. Транзистор нельзя заряжать, как обычные предметы, он будет автоматически перезаряжаться через некоторое время после того, как энергия не будет истощена.Полоса (а также всплывающая подсказка) показывает время восстановления до следующей перезарядки. Вы можете использовать атаки, которые потребляют больше энергии, чем у вас есть, однако это приведет к перегрузке Транзистора, и следующая перезарядка будет через гораздо большее время.
• Третья полоса — Уровень / XP — опыт равен количеству HP, которое вы нанесли другому объекту. Каждый уровень выше дает вам одно очко, и каждые несколько уровней вы открываете новую функцию.
• «Функции разблокируются через выравнивание. Слоты тоже должны быть разблокированы. Электроэнергия есть, но ее нельзя перезарядить, она делает это сама, когда не использовалась какое-то время.Технически существуют тысячи комбинаций, поскольку каждая функция может иметь две другие функции в качестве обновлений. Например, Ping on Breach увеличивает скорость, а Breach on Ping увеличивает расстояние и силу. Void on Jaunt позволит вам открыть портал в карманное измерение и т.д. Функции могут быть перегружены, что заставит вас время от времени пробовать новые комбинации. Это почти 1: 1 клон игры Transistor, если не считать поправки на контекст Minecraft. При создании доступна только функция Crash, которая действует как меч / кирка / топор / лопата при использовании в слоте Attack.Все слоты улучшений и пассивов заблокированы. Слот улучшения стоит 1 балл, чтобы разблокировать, пассивное — 2 балла, память — 1 балл, а функции разблокируются в зависимости от уровня инструмента. Память похожа на максимальный размер стека — она ​​ограничивает количество активных функций. Так что вам нужно уравновесить все это самостоятельно ».

Скриншоты:

Транзистор

Транзистор

Учиться и исследовательские транзисторы, наука, химия, биология, физика, математика, астрономия, электроника и многое другое.
101science.com — ПОРТАЛ интернет-науки на более чем 20 000 научных сайтов. Этот сайт БЕСПЛАТНЫЙ!

ВЫБРАТЬ ТЕМУ ТРАНЗИСТОРА ИЗ СПИСКА

Пожалуйста посетите наш 101 Научный магазин
+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++

Транзистор Рассказ —

«Транзистор был вероятно, самое важное изобретение 20 века, и история За изобретением стоит одно противоречие эго и совершенно секретное исследование.»

На этом рисунке показан верстак Джон Бардин и Уолтер Браттейн из Bell Laboratories. Они должны были проводить фундаментальные исследования кристаллических поверхностей. Результаты экспериментов были не очень хороши, и ходят слухи, что их босс Уильям Шокли был близок к отмене проекта. Но в 1947 году рабочие в одиночку они перешли на использование исключительно чистых материалов. Осенило им, чтобы они могли построить схему, изображенную на картинке.Это был рабочий усилитель мощности! Джон и Уолтер подали патент на первую работу точечный транзистор. Шокли был в ярости, взял их работу и изобрел переходной транзистор и через 9 дней подал на него патент. Все трое разделили Нобелевскую премию. Бардин и Браттейн продолжили исследования (позже Бардин выиграл еще один Нобель). Шокли ушел, чтобы основать компанию по производству полупроводников в Пало-Альто. Это свернули, но его сотрудники продолжили изобретать интегральную схему ( «чип») и основать корпорацию Intel.К 1960 году все важные компьютеры использовали транзисторы для логики и ферритовые сердечники для памяти. Микросхемы памяти заменил сердечник в 1970-х.

---

1. ВВЕДЕНИЕ — Транзистор — это небольшое электронное устройство, которое может вызвать изменения в большом электрическом выходном сигнале небольшими изменениями в небольшой входной сигнал. То есть слабый входной сигнал можно усилить (сделать сильнее) транзистором. Например, очень слабые радиосигналы в воздух может улавливаться проволочной антенной и обрабатываться транзисторными усилителями пока они не станут достаточно сильными, чтобы их могло слышать человеческое ухо.Транзистор состоит из трех слоев полупроводникового материала кремния или германия. Примеси добавляются к каждому слою для создания определенного электрического положительного или отрицательно заряженное поведение. «P» означает положительно заряженный слой, а «N» — отрицательно заряженный слой. Транзисторы либо NPN, либо PNP в конфигурации слоев. Здесь нет особая разница здесь, кроме полярности напряжений, которые должны быть применяется, чтобы транзистор работал. Слабый входной сигнал подается на центральный слой называется основанием и обычно относится к земле, которая также подключен к нижнему слою, называемому эмиттером.Больший выход сигнал снимается с коллектора, также с привязкой к земле и эмиттеру. Требуются дополнительные резисторы и конденсаторы, по крайней мере, с одним DC. источник питания в комплекте с транзисторным усилителем. У вас должно быть уже изучил основные разделы по электричеству и базовой электронике этого веб-сайт и хорошо разбираетесь в том, как резисторы и конденсаторы воздействуют на электрические цепи. Типичный транзисторный усилитель показано ниже.

Введение в транзистор:

Кремниевый биполярный транзистор — ОСНОВЫ — смотрите видео.

Подробные ссылки на транзисторы
http://www.williamson-labs.com

Как работает биполярный переключающий транзистор. Смотреть видео. Часть 1

Транзисторный видео — Часть 2

Как на самом деле работают транзисторы http: // amasci.com / amateur / transis.html

ПУСК ЗДЕСЬ: Введение к транзистору: http://www.4p8.com/eric.brasseur/vtranen.html

Превосходное введение в транзисторы http://www.kilowattclassroom.com/Archive/Transistor.pdf

Транзистор Схемы: Разъяснил! http://www.electronicsexplained.co.uk/transistor_circuits.htm

EngPlanet: Основы полупроводников — http://www.engplanet.com/redirect.HTML? 2436

EngPlanet: перекресток p-n — http://www.engplanet.com/redirect.html?2437

EngPlanet: биполярный транзистор — http://www.engplanet.com/redirect.html?2435

Транзистор Каталог радио (Альдо Андреани) http://sites.google.com/site/aldoandr/
(Замечательный ресурс для информации о транзисторе.)

Ссылки с: http://courses.ncsu.edu:8020/ece480/common/htdocs/

Полезные транзисторные ссылки:

Основы

Кристалл Структура
Физические свойства
Полупроводник Физика
Физические свойства в деталь
Электрические характеристики полупроводников
p-n переход
МОП-структура
Металл-полупроводник Соединения
Java-апплеты Иллюстрации
Другие апплеты полупроводников

Транзистор Учебники

Список учебников по полупроводникам http: // www.americanmicrosemi.com/information/tutorial/

Биполярный транзистор

: типы и его применение

Изобретение биполярного переходного транзистора (BJT) было сделано в 1948 году. Транзисторы являются основными электронными устройствами, которые формируются из комбинации диодов, которые называются биполярными переходной транзистор. Они совершили революцию в современной электронной системе. Эти изобретения транзисторов являются основными причинами замены электронных ламп.Отдельные диоды перехода p-n, соединенные спина к спине, приводят к образованию транзистора.

Это трехконтактные устройства. Эмиттер, база и коллектор называются выводами. Базовая область — это общий вывод для базы и коллектора. Эти сформированные транзисторы входят в состав различных типов полупроводников. Это заставляет транзистор работать либо в полностью включенном, либо в выключенном режиме. Это проложило путь для транзистора, позволяющего применять переключение.

Что такое биполярный переходной транзистор?

Два диода с переходом p- и n-типа соединены таким образом, что образуется транзистор, определяемый как транзистор с биполярным переходом. Эти клеммы отвечают за движение носителей заряда, что приводит к протеканию тока.

Типы BJT

В основном транзисторы с биполярным соединением классифицируются на основе их контакта, будь то точечный контакт или переход.Но в наши дни чаще всего используются транзисторы с переходами. Эти транзисторы с биполярным переходом образуются из-за комбинации полупроводниковых диодов, классифицируемых на основе p-типа и n-типа подключенных.

Если два p-типа соединены с an-типом в середине, это определяется как P-N-P транзистор. Если два n-типа соединены с p-типом в середине, он определяется как транзистор N-P-N. Оба эти N-P-N и P-N-P подпадают под категорию BJT или называются типами BJT.

Есть еще один тип BJT, который называется гетеробиполярным транзистором с переходом в этом другом материале полупроводников, предпочтительным в зависимости от того, какие разные переходы в транзисторе разработаны. Таким образом классифицируются транзисторы с биполярным переходом.

Обозначение биполярного переходного транзистора

Условные обозначения транзисторов N-P-N и P-N-P следующие:

Единственное различие между транзисторами P-N-P и N-P-N состоит в том, что движение тока, на основе которого показаны стрелки.

Принцип работы BJT

Три терминала, присутствующие в BJT, отвечают за формирование переходов эмиттера и базы, а также коллектора и базы. Как считается, соединение базы и эмиттера находится в прямом смещении, а соединение коллектор-база — в обратном смещении. Из-за прямого смещения у базы и эмиттера поток основных носителей идет от эмиттера к базе.

Поскольку область у основания имеет концентрацию легкого легирования, не все основные носители объединяются, некоторые из них имеют тенденцию течь к коллектору.Таким образом генерируются токи на эмиттере, базе и коллекторе. Генерируемый ток эмиттера является суммой токов базы и коллектора. Величина генерируемого базового тока меньше по сравнению с токами, генерируемыми на эмиттере и коллекторе.

Принцип работы остается одинаковым для транзисторов P-N-P и N-P-N, но единственное различие между ними заключается в наличии основных носителей заряда. В P-N-P большинство носителей — это дырки, а в N-P-N большинство носителей — электроны.

Эквивалентная схема BJT

Из обсуждения транзисторов становится очень ясно, что формирование транзистора происходит из-за задействования двух диодов, подключенных к задней части. Следовательно, эти диоды приводят к образованию двух соответствующих переходов, что дополнительно связано с наличием в нем клемм.

P-N-P Представление эквивалентной схемы транзистора (BJT)

Следовательно, схема BJT может быть представлена ​​двумя диодами с переходом P-N.Это эквивалентная схема BJT.

Смещение биполярного переходного транзистора

Смещение биполярного переходного транзистора — это не что иное, как приложение внешнего источника напряжения к соответствующим переходам, участвующим в нем. Это смещение приводит к основному процессу транзистора, на основе которого классифицируются области.

(1) Область отсечки

Поскольку оба перехода транзисторов не имеют внешнего источника питания.Следовательно, видимых напряжений не видно. Сформированная область определяется как область отсечения.

(2) Активная область

При этом один переход должен находиться в режиме прямого смещения, а другой — в обратном смещении. Этот тип области называется активной областью. В этом случае q-точка будет в центре кривой характеристик, так что она наиболее часто используется во время операций.

(3) Область насыщения

В этом случае оба перехода должны быть в прямом режиме, то есть в режиме с высокой проводимостью.Этот тип области называется областью насыщения.

При использовании транзистора в качестве переключателя предпочтительными являются режим отсечки и режимы насыщения. То есть он должен работать либо в полностью включенном, либо в выключенном режиме. Следовательно, эта концепция Q-точки в активной области и в других режимах, чтобы сделать ее стабильной, требует смещения.

(1) Фиксированное смещение

Это смещение также называется базовым смещением. В этом типе смещения соединение одного источника питания будет поддерживаться между базой и коллектором с помощью двух резисторов.Если значения сопротивления изменяются на его основе, можно регулировать ток на клеммной базе. Таким образом, можно также контролировать Q-точку.

(2) Смещение коллектор-база

В этом случае резистор базы собирается поперек коллектора, а не подключается к источнику питания. Этот тип смещения предпочтителен во время стабилизации точки Q относительно изменений температуры.

Если ток коллектора имеет тенденцию к увеличению, может произойти падение напряжения на резисторе, приводящее к уменьшению значения напряжения на резисторе базы.Таким образом, ток на базе уменьшается, одновременно снижается значение тока на коллекторе. Это снизит влияние температуры на точку Q, сделав ее стабильной.

(3) Self-Bias

Этот тип смещения также называется смещением делителя напряжения. Этот тип предвзятости используется чаще всего. Резисторы выполнены в виде схемы делителя потенциала. Следовательно, на базовый вывод подается равное или фиксированное напряжение.Таким образом классифицируются методы смещения транзисторов.

Характеристики биполярного переходного транзистора

Характеристики биполярного транзистора зависят от того, какие его конфигурации классифицируются, будь то общий эмиттер, общая база и общий коллектор.

Таким образом сравниваются характеристики различных конфигураций биполярного переходного транзистора.

Усиление напряжения

Усиление напряжения определяется как отношение выходных напряжений к приложенному входному напряжению.Это усиление напряжения зависит от генерируемых токов в зависимости от его конфигурации и подключенных к нему резисторов.

Коэффициент усиления по току

Отношение токов, генерируемых на выходе, к входному значению тока, называемое усилением по току конкретного транзистора. Наибольший коэффициент усиления по току получается в конфигурации с общим коллектором. При очень меньшем значении усиления по напряжению самые высокие коэффициенты усиления по току достигаются в конфигурации с общим коллектором.

Применения BJT

Применения биполярного переходного транзистора следующие:
1) Это транзисторы, которые предпочтительны в логических схемах.
2) Используется в схемах усиления.
3) Они предпочтительны в колебательных цепях.
4) Они предпочтительны в схемах с несколькими вибраторами.
5) В схемах ограничения они предпочтительнее для схем формирования сигнала.
6) Применяется в схемах таймера и схемах задержки времени.
7) Используются в схемах переключения.
8) Используется в схемах детектора или как демодуляция.

Эти транзисторы с биполярным переходом имеют более простую конструкцию. Они считаются основной классификацией транзисторов. Основное применение этого транзистора часто проявляется в переключателях. Причина этого в том, что его конструкция менее сложна по сравнению с другими транзисторами.

Теперь вы можете определить, почему конфигурации в BJT классифицируются и насколько это важно для электронных систем?

Введение в транзисторы — инженерные проекты

Привет, друзья! Надеюсь у тебя все хорошо.Я вернулся, чтобы предоставить вам ценную информацию, чтобы вы могли расти и опережать своих конкурентов. Сегодня я собираюсь обсудить подробности о Introduction to Transistor. Транзистор — это электронное устройство с тремя выводами, где небольшой ток на одном выводе используется для управления током на других выводах. Транзисторы в основном используются для усиления электронного сигнала. Транзисторы впервые были созданы американскими физиками Джоном Бардином в 1947 году.До появления транзисторов электронные лампы использовались для управления электронным сигналом. Эти трубки поставляются с анодом и катодом, и разность потенциалов на них создает электрический ток. В более поздних версиях добавлена ​​нить накала, которая используется для нагрева катода, который направляет электроны к стороне анода. Их сложная конструкция и повышенное энергопотребление открывают путь для разработки транзисторов, которые играют важную роль в создании транзисторов. современные электронные устройства.Прежде чем вы приобретете транзистор, я настоятельно рекомендую вам прочитать статью о диоде, который является строительным блоком транзистора. Диод — это полупроводниковое устройство, которое используется для построения транзистора. Диоды создаются, когда два типа полупроводниковых материалов, то есть N-тип и P-тип, соединяются вместе. В конструкции диода PN-переход формируется комбинацией материала P-типа и материала N-типа. Электроны являются основными носителями заряда в материале N-типа, а отверстия являются основными носителями заряда в материале P-типа.Транзисторы образуются, когда к этому PN-переходу добавляется дополнительный слой. Транзисторы бывают различных типов, включая BJT, JFET, MOSFET. BJT — это транзисторы с биполярным переходом, которые используют два носителя заряда, то есть электроны и дырки для электропроводности. И BJT — это устройства с управлением током, в которых небольшой ток на одном выводе используется для управления большим током на других выводах. JFET — это униполярные устройства, в которых проводимость осуществляется за счет движения только одного носителя заряда.Давайте углубимся и исследуем, какова основная функция транзистора и как он используется для разработки многих электронных схем.

Введение в транзистор

• Транзистор — это электронное устройство с тремя выводами, в котором небольшой ток на одном выводе используется для управления большим током на других выводах. Транзисторы в основном используются для усиления электронных сигналов.
• Транзистор поставляется с тремя выводами, называемыми эмиттером, базой и коллектором, которые используются для внешнего соединения с электронными схемами.
• Транзисторы были созданы с целью обеспечения дешевой электроники. Они доступны по отдельности, однако большую часть времени они упакованы вместе в интегральные схемы, которые затем используются для разработки процессоров, микросхем памяти компьютеров и сложных ИС.
• Транзистор — это комбинация двух слов, то есть передачи и варистора, где каждый слой имеет возможность передавать ток другим слоям, когда на один из слоев подается соответствующее напряжение смещения.
• Транзистор имеет три слоя и два PN перехода, где переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база — в обратном направлении.
• Большинство транзисторов созданы с использованием кремния и германия, которые менее дороги для электронных ламп и требуют меньше энергии для работы.
• В зависимости от подвижности основных носителей заряда транзисторы делятся на два типа транзисторов NPN и PNP. Оба они различны с точки зрения электрического поведения и физической конструкции.
• NPN-транзисторы имеют три слоя, то есть два слоя с примесью азота и один слой с примесью фосфора. Слой с примесью фосфора зажат между двумя слоями с примесью азота. В транзисторах NPN проводимость осуществляется обоими носителями заряда, то есть электронами и дырками, однако электроны являются основными носителями заряда в транзисторах NPN.

• Точно так же транзисторы PNP имеют три слоя, то есть два слоя с примесью фосфора и один слой с примесью азота. Слой с примесью азота находится между двумя слоями с примесью фосфора.Фактически, за срабатывание транзистора отвечает слой, легированный азотом. Когда соответствующее напряжение смещения прикладывается к слою, легированному P, он потребляет ток, который затем используется для управления большим током на других выводах.

• Транзисторы в конфигурациях NPN и PNP представляют собой не что иное, как комбинацию двух диодов, соединенных спина к спине.
• В транзисторе NPN ток течет от коллектора к эмиттеру, тогда как в транзисторе PNP ток течет от эмиттера к коллектору.
• Направления тока и полярности напряжения всегда противоположны в обоих транзисторах.Предположим, что если ток течет по часовой стрелке в транзисторе NPN и идет с положительной полярностью на выводе базы, он будет течь против часовой стрелки в транзисторе PNP, где полярность напряжения становится отрицательной.
• PN-переход, образованный между двумя полупроводниковыми материалами, является строительным блоком транзистора. Когда образуется PN-переход, основные носители заряда в N-области (электроны) пересекают переход и достигают P-области, где они рекомбинируют с дырками. Точно так же основные носители заряда в P-области (дырки) пересекают переход и достигают N-области, где они рекомбинируют с электронами.
• Диффузия электронов и дырок зависит от напряжения смещения, приложенного к переходу.
• Считается, что напряжение смещено в прямом направлении, когда P-область соединена с положительным выводом батареи, а N-область соединена с отрицательной клеммой батареи.

• В состоянии прямого смещения дырки и электроны могут легко пересекать переход и поддерживать ток через переход. Когда происходит такая диффузия, в переходе образуется область, обедненная основными носителями заряда.Этот регион известен как область истощения.
• Пока приложено прямое смещение, ток течет через переход. Диффузия дырок и электронов создает электрическое поле внутри перехода. Это электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда.
• Как было сказано ранее, транзистор имеет два PN перехода, один из которых смещен в прямом направлении, а другой — в обратном.

Режимы транзистора

Транзистор бывает с разными режимами работы.Давайте обсудим их по очереди.

Активный режим

• Активный режим используется для усиления электронного сигнала, когда небольшой ток на выводе базы усиливается на выводе коллектора.
• Базовый вывод отвечает за действие транзистора, которое контролирует количество основных носителей заряда (электронов в случае транзистора NPN и отверстий в случае транзистора PNP), протекающих через него, и потребляет небольшой ток при подаче надлежащего напряжения смещения.

Режим отключения

• В этом режиме транзистор работает как разомкнутый переключатель, и ток не течет через клеммы, где базовое напряжение меньше, чем напряжение на других клеммах.

Режим насыщения

• Этот режим считается включенным, когда ток свободно течет от коллектора к эмиттеру.
• В этом состоянии разница напряжений между коллектором и эмиттером равна нулю, а ток коллектора ограничивается напряжением питания и сопротивлением нагрузки.
• В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, и базовое напряжение больше, чем напряжение на других выводах.

Обратный активный режим

• Этот режим действует как активный режим с одним исключением: i.е. текущее направление меняется на противоположное.
• Ток течет от эмиттера к коллектору, который пропорционален току базы.
• На базовый ток сильно влияет напряжение смещения, приложенное к клемме, которое затем управляет большим током на других клеммах.
• Напряжение на выводах связано следующим образом.

Коэффициент усиления по току

Коэффициент усиления по току играет важную роль в работе транзистора. Ниже приведены два распространенных коэффициента усиления по току в транзисторе.

Коэффициент усиления по току с общим эмиттером

• Коэффициент усиления по току с общим эмиттером — это соотношение между током коллектора и током базы.
• Это также известно как коэффициент усиления, который определяет величину усиливаемого тока.
• Он называется бета и обозначается буквой β. Значение бета варьируется от 20 до 1000, однако большую часть времени его значение принимается равным 50.

Коэффициент усиления по току общей базы

• Другой коэффициент усиления по току — коэффициент усиления по току общей базы, который представляет собой отношение между током коллектора и эмиттерный ток.
• Он называется альфа и обозначается α. Значение альфа принимается за единицу.

Применение транзисторов

• Транзисторы в основном используются для усиления низкочастотных и высокочастотных сигналов переменного тока.
• Ток не вырабатывается на клемме коллектора, если нет тока на клемме базы. Этот процесс позволяет транзистору работать как переключатель. Транзистор можно включать и выключать, управляя напряжением смещения на клемме базы.
• В зависимости от требований, транзистор может быть выполнен для работы в области отсечки или насыщения для коммутационных приложений.
• Интегральные схемы, добавленные в развитие процессоров, выполнены на транзисторах.
• Используется при разработке логарифмических преобразователей и логических вентилей.
• Транзисторы широко используются в современной электронике, особенно там, где требуется обработка сигналов и радиопередача.

Это все на сегодня. Надеюсь, эта статья оказалась для вас полезной. Мы всегда уделяем внимание вашим требованиям и разрабатываем контент, который действительно соответствует вашей сфере интересов.Если вы не уверены или имеете какие-либо вопросы, вы можете задать мне их в разделе комментариев ниже. Я хотел бы помочь вам чем могу. Спасибо, что прочитали статью. Полевые транзисторы

— MOSFET

в режиме истощения

Теперь обновленная версия этой страницы находится по адресу https://learnabout-electronics.org/Semiconductors/fet_04a.php.

Нажмите зеленую кнопку, чтобы перейти к новой версии

Перейти на новую страницу

Рис.5.1 Режим истощения N-канальный полевой МОП-транзистор

МОП-транзистор в режиме истощения, показанный как устройство с N-каналом (также доступен P-канал) на рис.1 чаще выполняется в виде дискретного компонента, то есть в виде одиночного транзистора, а не в виде ИС. В этом устройстве тонкий слой кремния N-типа нанесен чуть ниже изолирующего слоя затвора и образует проводящий канал между истоком и стоком.

Следовательно, когда напряжение затвора истока V _GS равно нулю, ток (в форме свободных электронов) может течь между истоком и стоком. Обратите внимание, что затвор полностью изолирован от канала слоем диоксида кремния. Теперь, когда присутствует проводящий канал, затвору не нужно перекрывать всю ширину между истоком и стоком.Поскольку затвор полностью изолирован от остальной части транзистора, это устройство, как и другие IGFET, имеет очень высокое входное сопротивление.

Рис. 5.2 Работа полевого МОП-транзистора в режиме обеднения

В устройстве с N-каналом, показанном на рис. 5.2, затвор сделан отрицательным по отношению к источнику, что создает эффект обеднения, свободного от носителей заряда, под затвором. Это ограничивает глубину проводящего канала, увеличивая сопротивление канала и уменьшая ток, протекающий через устройство.

Также доступны полевые МОП-транзисторы в режиме истощения, в которых затвор расширяет всю ширину канала (от истока до стока). В этом случае также можно использовать транзистор в режиме улучшения. Это достигается за счет того, что вентиль становится положительным, а не отрицательным. Положительное напряжение на затворе притягивает больше свободных электронов в проводящий канал, в то же время отталкивая дырки в подложку P-типа. Чем положительнее потенциал затвора, тем глубже и ниже сопротивление канала.Следовательно, увеличение положительного смещения увеличивает ток. Эта полезная версия с обеднением / улучшением имеет недостаток, заключающийся в том, что при увеличении площади затвора емкость затвора также больше, чем у истинных типов обеднения. Это может вызвать трудности на более высоких частотах.

Рис. 5.3 Обозначения схем для полевых МОП-транзисторов в режиме истощения (IGFET)

Обратите внимание на сплошную полосу между истоком и стоком, указывающую на наличие проводящего канала.

Примечание. Если сделать затвор более отрицательным, уменьшается проводимость между истоком и стоком в устройствах с N каналом, но увеличивается проводимость между истоком и стоком в устройствах с каналом P.

Применение полевых транзисторов

Хотя полевые транзисторы имеют меньшее усиление, чем биполярные транзисторы, их очень высокий входной импеданс делает их подходящими для приложений, в которых входные сигналы могут быть значительно уменьшены при применении к базе биполярного транзистора, для работы которой требуется базовый ток. Планарная технология, используемая для изготовления полевых транзисторов, такая же, как и для интегральных схем, поэтому большинство транзисторов, используемых в I / C, относятся к этому типу. Полезной особенностью полевых транзисторов является то, что они, как правило, создают меньше фонового шума, чем биполярные типы, и поэтому полезны на начальных этапах работы систем, таких как усилители; радио и т. д.где уровни сигнала очень малы и могут быть заглушены чрезмерным фоновым шумом.

Полевые транзисторы большой мощности

полевых транзисторов, используемых в выходных каскадах высокой мощности, часто называют VMOS, DMOS или TMOS. Эти транзисторы в основном такие же, как и другие IGFET-транзисторы, но имеют специализированную конструкцию, которая позволяет им пропускать токи величиной до 10 А. Они также могут очень быстро включаться и выключаться (за наносекунды). Это позволяет использовать их в таких схемах в качестве импульсных источников питания, где очень важно очень быстрое переключение.

Обновлено 18 августа 2007 г.

Начало страницы Назад

SiGe Транзисторная технология для ВЧ приложений

Технология SiGe-транзисторов для ВЧ-приложений

Дилек Барлас, Грегори Хендерсон и Ксиандонг Чжан
M / A-COM
Лоуэлл, Массачусетс, Массачусетс, Массачусетс, США

Спрос на мобильную связь в последнее десятилетие вызвал взрывной интерес к радиочастотным интегральным схемам (RFIC).Потребительский характер рынка требует реализации радиочастотных функций небольшого размера с удобными для пользователя функциями при низкой стоимости, малой мощности и большом объеме.

Хотя в настоящее время проводятся целенаправленные исследования радиоприемников с нулевой ПЧ, в большинстве радиостанций второго и третьего поколения, вероятно, будут использоваться традиционные архитектуры за счет постоянного повышения производительности, интеграции и повышения стоимости производства. Разработчики этих систем могут выбирать между различными технологиями, чтобы повысить производительность по сравнению с другими.Стоимость, как показано в Рисунок 1 .

Современные системы цифровой связи с высокими требованиями к скорости передачи данных и большой полосе пропускания требуют конструкции приемников с увеличивающимся динамическим диапазоном и передатчиков с эффективными линейными усилителями мощности. Задача разработчика радиочастотных интегральных схем и технолога полупроводниковых устройств состоит в том, что эти условия должны выполняться при постоянно снижающемся уровне рабочей мощности и стоимости производства. Например, если коэффициент шума смесителя в приемнике снижается при сохранении высокой способности к сильному сигналу, то усиление предварительного усилителя может быть уменьшено без ущерба для чувствительности системы.

В этих условиях разработчик может также снизить входную точку пересечения третьего порядка (IIP3) смесителя без ущерба для общей способности большого сигнала. Следовательно, потребление мощности приемником может быть уменьшено или некоторый компромисс между потребляемой мощностью и стоимостью может быть достигнут путем ослабления требований к характеристикам фильтра. Если потребляемая мощность достаточно низка, можно дополнительно исключить дорогостоящие пассивные фильтры, используя в конструкции системы смесители с подавлением изображения.Короче говоря, технология устройства с высокой производительностью и низким энергопотреблением является ключом к решению этой задачи.

Повышение производительности кремниевых ИС в основном было достигнуто за счет уменьшения геометрии и соответствующих низкоэнергетических процессов имплантации. В технологии SiGe включение германия в базовую область транзистора открывает разработчикам устройств новые возможности для улучшения частотной характеристики, усиления и линейности без стандартных ограничений имплантированного процесса.Ключевым показателем качества транзистора является fT. Современная кремниевая технология обычно дает fT> 30 ГГц. Однако это улучшение происходит за счет увеличения сопротивления базы и снижения раннего напряжения (линейности), что отрицательно сказывается на характеристиках RF. В этой статье обсуждается, как SiGe может помочь облегчить некоторые из этих ограничений.

Технология SiGe развивалась последние полтора десятилетия, в основном благодаря работам Б. Мейерсона и его коллег из IBM. ¹ В течение последних нескольких лет возникло много оживленных споров о плюсах и минусах этой технологии. ² Кроме того, Daimler Benz и Temic Semiconductors разработали собственный процесс, ориентированный на беспроводные приложения, а не на чисто цифровые характеристики. Как это типично для новых технологий, скорость внедрения продукта была ниже, чем обещано, хотя эта скорость начала существенно меняться в течение последних шести месяцев. Все больше компаний полагаются на SiGe теперь, когда его производительность и технологичность доказаны.Одной из причин такого быстрого наращивания мощности является довольно простое преобразование биполярных ВЧ-схем, разработанных по чисто кремниевой биполярной технологии, в технологию SiGe. В результате многие разработчики извлекают выгоду из своего существующего опыта в отличие от разработки новых схем на КМОП. Время выхода на рынок принесет пользу разработчикам систем.

Целью данной статьи является изучение SiGe и его связи со стандартными биполярными и КМОП-технологиями. Основное преимущество и возможность SiGe заключается в том, что его можно легко интегрировать в стандартные биполярные и биполярные CMOS-процессы с минимальными затратами.Эта способность позволяет разработчикам устройств и схем улучшать биполярные устройства CMOS и гетероперехода в отношении мощности, шума и скорости. Именно эти возможности делают технологию привлекательной для беспроводных рынков.

В следующих разделах будут рассмотрены компромиссы при проектировании транзисторов, процессов и схем для SiGe. Сначала будут рассмотрены основные преимущества SiGe (как биполярных транзисторов с истинным гетеропереходом (HBT), так и устройств с градиентной базой) перед обычными биполярными устройствами.Затем будут исследованы более тонкие компромиссы в конструкции, а затем приведены примеры производительности как устройств низкого напряжения для RFIC и PA, так и устройств высокого напряжения для приложений беспроводных базовых станций.

Преимущества SiGe-HBT перед BJT

Преимуществами производительности SiGe над чистым кремнием для приложений RFIC являются, в основном, чрезвычайно высокие частоты среза с заявленными характеристиками fT = 130 ГГц ³ и fmax = 160 ГГц ⁴ и Задержка логического элемента текущего режима до 7.7 шт. ⁵ Кроме того, улучшенный КПД добавленной мощности (PAE) при низких напряжениях постоянного тока делает SiGe HBT хорошим выбором для применения в усилителях мощности. Экономическое преимущество SiGe HBT перед HBT III-V заключается в том, что для изготовления устройств можно использовать стандартную линию по производству Si и большинство стандартных биполярных технологических модулей. Эта возможность позволяет производить низкозатратное производство на существующих кремниевых заводах с высоким выходом и хорошей проверенной надежностью.

SiGe-транзисторы с биполярным переходом (BJT) в принципе являются биполярными транзисторами; Единственное отличие заключается в наличии германия в базовой области, который уменьшает ширину запрещенной зоны материала SiGe.Было продемонстрировано два типа SiGe BJT: BJT с градуированной базой (впервые разработано IBM1) и HBT с истинным коробчатым профилем (впервые разработано Daimler2). Концептуальные профили легирования для этих двух процессов показаны на рис. 2 . В обоих процессах добавление Ge в основание позволяет сократить время прохождения базового слоя при заданном сопротивлении основного листа, тем самым обеспечивая устройство одновременно с высокими значениями fT и fmax, как показано на , рис. 3, . Более высокая концентрация легирования базы обеспечивает преимущества как в более высоком раннем напряжении (из-за меньшей модуляции области пространства в нейтральную базу), так и в низком коэффициенте шума (из-за низкого Rb и высокого b), что приводит к преимуществам в производительности для RF Приложения.

Технологические процессы

Будут рассмотрены технология, производительность и применение двух процессов SiGe. Первый пример — это процесс низковольтного ИС (истинный HBT), производимый в Temic Semiconductors, который включает в себя npn-HBT с и без селективно имплантированного коллектора (SIC) на той же пластине. ^6,7 Второй пример — это процесс дискретного BJT высокого напряжения (BJT с градиентной базой), который разрабатывается в M / A-COM для высоковольтных (Vc = 10–30 В) ВЧ-источников питания.

Процесс SiGe1 IC

Процесс SiGe1 IC был разработан для RFIC с прикладными напряжениями Vc = 1,5–5 В. Схематический чертеж процесса показан на Рис. 4 для SiGe1 HBT с BVECO = 6 В (fT / fmax = 30/50 ГГц), 3 В (fT / fmax = 50/50 ГГц). Основным технологическим преимуществом процесса является дифференцированный рост слоя SiGe после стандартного утопленного процесса местного окисления кремния. SiGe-poly используется для контакта базы и для двух из трех типов резисторов.Эмиттер имеет внутреннюю и внешнюю прокладку и дополнительный слой аморфного Si, который используется для формирования контактов эмиттера и коллектора. Кроме того, в настоящую технологию включены спиральные индукторы, нитридные конденсаторы, три типа полимерных резисторов, боковой pnp-транзистор, защита от электростатических разрядов RF и постоянного тока и варакторные диоды. Основа SiGe с сильным легированием бором (4 ¥ 1019 см-3), выращенная на одной установке химического осаждения из газовой фазы, обеспечивает чрезвычайно низкое сопротивление основного листа, равное 1.5 кВт / кв. Следовательно, можно использовать широкие эмиттерные полосы (до 2 мм) для силовых НВТ.

Технология SiGe1 сравнима по количеству масок и стоимости процесса со стандартным процессом двойного поли Si BJT. Следовательно, эта технология обеспечивает идеальную платформу для крупномасштабной интеграции RFIC. Процесс полностью квалифицирован на основе срока службы устройства и срока службы комплектных схем.

Высоковольтный процесс SiGe BJT

Традиционно SiGe воспринимался как технология низкого напряжения, поскольку процесс был разработан для RFIC и цифровых приложений.Однако SiGe BJT могут получать те же напряжения пробоя, что и Si BJT (Vcbo> 80 В и Vceo> 26 В) для ВЧ приложений. Кроме того, были продемонстрированы улучшения производительности от SiGe в отношении линейности, эффективности и усиления для высоковольтных приложений беспроводной связи.

Для кремниевых силовых транзисторов, таких как базовые станции, типичный биполярный процесс, как показано на рис. 5 , начинается с сильно легированной подложки n + (контакт коллектора), продолжается эпитаксией n-коллектора (коллектор) и заканчивается изолированное соединение, традиционная имплантированная база и эмиттер.Легирование и толщина коллектора (наряду с радиусом изоляции перехода) определяют напряжение пробоя устройства. Был разработан процесс питания SiGe, который заменяет базовую стадию имплантата выращиванием эпитаксии SiGe и использует эмиттер из поликремния. За исключением этих незначительных изменений, процесс по существу такой же, как и при имплантированном биполярном отростке. Процесс питания SiGe 15 В был продемонстрирован с использованием этой схемы процесса с Vcbo> 50 В (55 В, тип.) И Vceo> 15 В (18 В, тип.).

Результаты высокочастотных характеристик

Низковольтное преобразование SiGe1 в постоянный ток и малосигнальные характеристики

Характеристики процесса низкого напряжения SiGe1 перечислены в Таблице 1 . SiGe HBT демонстрируют транзитные частоты fT, равные 30 ГГц при напряжении пробоя коллектор-эмиттер BVCEO = 6 В и 50 ГГц, соответственно, при BVCEO = 3 В. Максимальные значения fT и fmax были достигнуты при плотностях тока 0,3 мА. / мм2 и 0,65 мА / мм2 для устройств без SIC и SIC соответственно, как показано на рис. 6 .Процесс SiGe1 продемонстрировал минимальный коэффициент шума 0,8 дБ и соответствующее усиление 17 дБ на частоте 2 ГГц, как показано на рис. 7 . Одним из важных преимуществ SiGe-HBT является то, что согласующий импеданс для минимального коэффициента шума близок к 50 Вт, что позволяет легко реализовать малошумящий усилитель (LNA).

Таблица I Ключевые параметры производительности SiGe RFIC
	без SIC	SIC
npn транзистор
Транзитная частота f T (ГГц)	30	50
Максимальная частота колебаний f max (ГГц)	50	50
Коэффициент усиления по току ч FE	180	180
Раннее напряжение В A (В)	50	50
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер BV CE0 (В)	6	3
Напряжение пробоя коллектор-база BV CB0 (В)	15	12
Коэффициент шума на 2 ГГц f мин (дБ)	1	1
pnp транзистор
Напряжение пробоя коллектор-эмиттер BV CE0 (В)	7
Коэффициент усиления по току ч FE	7
Типовой ток коллектора I CP (мкА)	40
Пассивные устройства
Высокоомный полимерный резистор (poly1) R H (Ом / кв.)	400
Среднеомный полимерный резистор (poly2) R M (Ом / кв.)	110
Низкоомный полимерный резистор (poly1 — TiSi 2 ) R L (Ом / кв.)	4.5
Прецизионный конденсатор MIM cSPEC (fF / micro-m 2 )	1,1
Спиральный индуктор Q на 2 ГГц (4 нГн)	7
Стабилитрон ESD, напряжение стабилитрона В Z (В) Стабилитрон, паразитная емкость (пФ)	6,2 5,5
Диод RF-ESD, паразитная емкость (пФ)	0.3

Низковольтные характеристики мощности SiGe1

Процесс низковольтного SiGe1 был охарактеризован для приложений усилителей мощности (УМ) посредством измерений на пластине и пакетных измерений. Устройство, используемое для определения характеристик ВЧ-мощности на пластине, представляет собой 20-контактный (3 ¥ 30 мм) силовой элемент с общим эмиттером, у которого fT и fmax составляют 15 и 20 ГГц соответственно. Базовые плоскости нагрузочно-вытяжной системы были откалиброваны по пусковым площадкам основания / коллектора устройства для измерения фактического входного и выходного сопротивления устройства. В таблице 2 приведены характеристики мощности и эффективности этого устройства с коллекторным смещением 3 В при непрерывном возбуждении на частотах 900 МГц и 1,88 ГГц соответственно. (Нагрузки устройства были настроены на оптимальную производительность PAE.) Устройства достигли хорошего КПД 72% на частоте 900 МГц и 64% на частоте 1,88 ГГц при уровнях мощности от 0,25 до 0,35 Вт, что указывает на пригодность процесса для телефонных PA.

Таблица II Результаты испытаний на пластине
Частота (МГц)	900	1880
PAE (%)	72	64
Выходная мощность (мВт)	350	250
Коэффициент усиления мощности (дБ)	15.0	12,5

Многоячеечные устройства были помещены в керамический корпус, чтобы обеспечить определение характеристик на более высоких уровнях мощности. Как показано на рис. 8 , упакованное устройство имело внутреннее входное согласование для увеличения входного сопротивления. Распределенные схемы предварительного согласования были сформированы на подложках из Duroid с низкими потерями, чтобы довести уровень входного и выходного импеданса до 50 Вт. Эталонные плоскости при испытании мощности были откалиброваны по входным / выходным разъемам прибора (за пределами Duroid).

На рисунке 9 показаны характеристики мощности четырехэлементного SiGe HBT как функция входной мощности на частотах 900 МГц и 1,96 ГГц в условиях смещения класса B. (Обратите внимание, что измерения мощности включают потери в корпусе и приспособлениях.) Очевидно, это устройство с фиксированным напряжением 3 В продемонстрировало 66 процентов PAE с выходной мощностью 1,1 Вт на частоте 900 МГц и 61 процент PAE с выходной мощностью 800 мВт на частоте 1,96 ГГц.

Высоковольтные SiGe BJT

Процесс высоковольтного SiGe BJT был использован для разработки устройств с дискретным питанием 15 В.Процесс имеет fT = 8 ГГц, Gmax (2 ГГц) = 22 ГГц, Vcbo = 55 В и Vceo = 18 В. Кристалл элементарной ячейки в процессе имеет выходную мощность Po ~ от 12 до 13 Вт, в зависимости от настройки. . Силовые устройства были охарактеризованы с использованием керамического корпуса с входным внутренним согласованием и внешними согласующими цепями на креплении с мягкой платой для согласования с мощностью 50 Вт. На рис. 10 показано силовое устройство в сборе с двумя кристаллами (~ 24 Вт). На частоте 1,96 ГГц при условиях смещения 15 В / класс B один кристалл обеспечивает 53% PAE с P1dB при 12 Вт и усилении мощности 10 дБ.Как показано на рис. 11 , устройство с двумя кристаллами обеспечивает мощность 24 Вт Po, усиление 9,7 дБ и 49% PAE.

Как описано ранее, SiGe обеспечивает преимущество одновременного получения высоких значений fT и fmax, что улучшает коэффициент усиления и эффективность по сравнению с обычными Si BJT. Кроме того, поскольку SiGe имеет более сильно легированное основание, определяемое эпитаксией, раннее напряжение для SiGe-устройства значительно выше, чем для мощного Si BJT, как показано на рис. 12, . Сочетание этих факторов обеспечивает лучшую линейность SiGe BJT по сравнению с Si BJT.

На рисунке 13 показана развертка мощности при модуляции CDMA IS-95 для BJT SiGe мощностью 15 В и коммерчески доступного Si BJT 30 Вт. Оба устройства были настроены на максимальное подавление мощности в соседнем канале (ACPR) ~ 11 дБ от P1dB, где ACPR определяется как мощность, измеренная на 1,96 ГГц в полосе 30 кГц минус мощность, измеренная на 1,96 ГГц ± 885 кГц в Полоса пропускания 30 кГц. Устройство SiGe имеет на ~ 1 дБ лучшее усиление и на ~ 3-5 дБ лучшую линейность при примерно сопоставимой эффективности.

Для поддержки разработки устройств (особенно для приложений с большой мощностью) были предприняты значительные усилия по моделированию больших сигналов. Модифицированная модель Гаммеля-Пуна была разработана для моделирования нелинейных характеристик мощности как низковольтных, так и высоковольтных силовых устройств SiGe. Модель (концептуально показана в , рис. 14, ) включает эффекты пробоя (которые могут значительно ограничить доступные условия нагрузки для устройства при работе с высокой мощностью), снижение fT и ограничение максимального тока, которые возникают из-за эффекта Кирка, а также соединительные провода и паразитные характеристики пакета (которые играют значительную роль в производительности устройства высокой мощности из-за низкого импеданса (~ 0.От 1 до 0,5 Вт)). 3 Модель может точно прогнозировать характеристики мощности как для устройств на 15 В, так и для устройств питания 3 В, как показано на Рис. 15 .

Применение микросхем

Как было показано ранее, SiGe HBT представляют собой подходящую технологию для разработки высокопроизводительных аналоговых ИС для ВЧ-систем от 1 до 10 ГГц. Данные о производительности, показанные в предыдущих разделах, показывают, что SiGe может обеспечить хорошую производительность по разумной цене для таких схем, как LNA, PA, смесители, VCO и контуры фазовой автоподстройки частоты.В SiGe также могут быть реализованы высокоскоростные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. Помимо повышения производительности, SiGe позволяет добавлять полностью интегрированные дополнительные схемы, такие как блоки смещения и логические схемы, без значительных затрат. Эта функция является ключом к любому экономичному системному решению.

МШУ

МШУ были разработаны с использованием процесса SiGe1 для частот от 1,9 до 10 ГГц. В таблице 3 перечислены характеристики IIP3 и P1dB; Рисунок 16 показывает измеренный коэффициент шума 50 Вт для трех LNA, рассчитанных на 1.9, 5,8 и 10 ГГц. Коэффициент усиления всех трех LNA превышает 10 дБ, при этом LNA 10 ГГц дает усиление> 10 дБ в полосе пропускания 3 ГГц.

Таблица III Характеристики LNA
Частота (ГГц)	1,9	5,7	10,0
Напряжение (В)	4.5	4,5	3,6
Ток (мА)	6.0	7,4	12,0
IIP3 (дБм)	-2,7	-13,0	-6,8
P1dB (дБм)	-11,0	-7.5	-9.0

PA

В дополнение к LNA, процесс SiGe1 был использован для разработки трехступенчатого полностью интегрированного PA GSM, включая входное согласование, межкаскадное согласование, схему смещения и управления мощностью. На печатной плате реализовано согласование вывода только финального каскада. Усилитель мощности был разработан для получения усиления> 40 дБ и пиковой PAE в 50 процентов, а также поддержания PAE> 40 процентов в динамическом диапазоне 6 дБ при регулировании мощности и PAE на уровне 50 процентов для напряжений питания от 2.От 4 до 5 В.

Рисунок 17 показывает данные производительности PA. Диапазон регулирования PA составляет примерно 40 дБ. Управляющее напряжение также используется для отключения УМ и приводит к току в режиме ожидания ниже 1 мА, в то время как УМ остается подключенным к шине питания, тем самым устраняя переключатель на стороне высокого напряжения, который снижает чистый PAE в решениях PA на основе полевых транзисторов. Эта функция особенно важна для работы при низком напряжении, когда полный интегрированный усилитель мощности может обеспечивать 50% PAE при напряжении питания всего 2.4 V.

Служба пакетной радиосвязи общего назначения (GPRS), GSM следующего поколения, потребует возможности использования нескольких интервалов как в режиме передачи, так и в режиме приема. Ухудшение выходной мощности (в интервале импульсов от 5 до 95 процентов) было измерено как при работе с одним, так и с несколькими интервалами при Vc = 3,5, Pout = 34,4 дБм и Pin = 10 дБм. Из-за тепловой конструкции и хорошей проводимости кремния деградация в этих импульсных условиях была минимальной для одно-, двух- и трехслотовых приложений с однослотовым (12.5 процентов рабочего цикла) снижение мощности на 0,04 дБ, двухслотовое (25 процентов рабочего цикла) ухудшение на 0,07 дБ и трехслотовое (37,5 процента рабочего цикла) ухудшение на 0,09 дБ. Из-за этих хороших тепловых характеристик SiGe GSM PA поддается корпусу с перевернутым кристаллом, который улучшает характеристики PA с точки зрения усиления, PAE и выходной мощности за счет снижения электрических паразитных параметров. Флип-чип PAE первого поколения, показанный на рис. 18 , продемонстрировал PAE 53% при пиковой мощности.

Приемопередатчики

Процесс SiGe1 был использован для разработки высокоинтегрированного внешнего интерфейса Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT), который производится как часть набора микросхем DECT, ⁸ , как показано на рис. Внешний интерфейс включает в себя LNA в тракте приема, PA для тракта передачи и драйвер для внешнего переключателя PIN-диода. Микросхема, показанная на рис. 20 , представляет собой простое системное решение, работающее от 2.От 7 до 5 В без отрицательного напряжения питания или внешнего управления питанием, такого как переключатель высокого напряжения.

В режиме передачи входной сигнал 0 дБмВт усиливается усилителем мощности до 26,5 дБмВт. УМ обеспечивает усиление слабого сигнала 33 дБ, максимальное PAE 41 процент и насыщенную выходную мощность 26,5 дБмВт при напряжении питания 3 В. Объединенный чип (корпус PSSOP16 с тепловым отводом) может работать в многослотовом режиме ( и даже режим CW) из-за высокой теплопроводности кремния. Таким образом, это устройство особенно хорошо подходит для базовых станций беспроводной локальной сети или приложений мультимедиа и данных с сильно асимметричными требованиями к восходящей и нисходящей линии связи.Внешний чип превзошел системные требования DECT и улучшил общую чувствительность приемника на 10 дБ.

В режиме приема сигнал усиливается LNA с коэффициентом усиления 19 дБ и коэффициентом шума 1,7 дБ с минимальным согласованием вне кристалла. На рисунке 21 показаны зависимости усиления и коэффициента шума DECT LNA от частоты. Высокая обратная изоляция ~ 50 дБ снижает утечку гетеродина на антенну и упрощает конструкцию печатной платы.

Заключение

Компания SiGe предоставила решение для инженерии материалов, которое позволяет значительно улучшить характеристики транзистора по сравнению с традиционной технологией кремниевых транзисторов с аналогичной сложностью обработки и требованиями к ширине линии.Благодаря использованию стандартных кремниевых пластин, а также стандартных производственных процессов и оборудования, SiGe обеспечивает оптимальное соотношение цены и производительности для многих беспроводных приложений.

В этой статье были рассмотрены возможности двух процессов SiGe для беспроводных приложений: процесса низкого напряжения IC и дискретного процесса высокого напряжения, и был включен анализ основных показателей качества процесса и обсуждение их применения. параметры для таких схем, как PA и RF-интерфейсы.Стабильность и надежность процесса SiGe подтверждена обширными квалификационными испытаниями, а также эксплуатационными характеристиками продуктов. Благодаря структуре затрат на обработку кремния, проверенным РЧ-характеристикам, возможности интеграции высокого уровня и растущему признанию SiGe в качестве основного процесса, SiGe обеспечивает оптимальный выбор РЧ-полупроводников для многих приложений беспроводных систем.

Ссылки

1. G.L. Patton, J.H. Комфорт, Б.С. Мейерсон, Э.Ф. Крабб, Г.Дж. Сцилла, Э. де Фресарт, J.M.C. Аист, J.Y.C. Sun, D.L. Хараме и Дж. Бургхартц, «SiGe-биполярные транзисторы с базовым гетеропереходом, 75 ГГц fT», IEEE Electron Device Letters, Vol. 11, 1990, стр. 171-173.

2. Э. Каспер, А. Груле и Х. Киббел, «Высокоскоростной SiGe-HBT с очень низким удельным сопротивлением основного листа», Технический сборник Международного собрания электронных устройств (IEDM), 1993, стр. 79- 81.

3. К. Ода, Э. Оуэ, М.Танабе, Х. Шимамото, Т. Онаи и К. Васио, «Технология SiGe HBT 130 ГГц fT», Технический сборник IEDM, 1997, стр. 791-794.

4. A. Schüppen, U.

No related posts.