Биполарен споен транзистор

Биполарен споен транзистор или биполарен транзистор – електронска полуспроводничка компонента со засилувачки и прекинувачки особини, вид транзистор. Овој уред е активна компонента со три изводи, а направен е од допиран полуспроводен материјал, може да ги засилува или прекинува електричните сигнали во колото. Биполарните транзистори го добиле своето име затоа што главни носители на електричниот полнеж се и електроните и шуплините, за разлика од транзисторите со ефект на поле кај кои носители на електричниот полнеж се или електроните или шуплините.
1 Историја и денешна примена
Биполарните транзистори првпат биле направени во Беловите лаборатории и триесетина години биле најдобри компоненти за изработка на дискретни и интегрирани кола. Денес, употребата на биполарни транзистори е потисната во корист на технологијата CMOS во дизајнот на интегрирани кола. Сепак, биполарните транзистори остануваат уреди кои се подобри во некои кола, како што се дискретните кола, заради големиот избор на видови биполарни транзистори и познавањата на нивните одлики. Тие исто така се користат за аналогни кола, било дискретни било интегрирани. Ова особено се однесува на примената на високи честоти, како што се колата на радиочестоти за безжични мрежи. Биполарните транзистори може да се комбинираат со транзисторите MOSFET во интегрирано коло користејќи процес BiCMOS за да се добие ново коло кое ќе ги земе најдобрите одлики од двата вида транзистори.
2 Структура
Биполарниот транзистор се состои од три различно допирани полуспроводнички делови: емитерски, базен и колекторски. Овие делови по ред П тип, Н тип и П тип кај ПНП и Н тип, П тип и Н тип кај НПН транзисторите. Секој полуспроводнички дел е приклучен на извод прописно означен: емитер (E), база (B) и колектор(C).
Базата физички е сместена меѓу емитерот и колекторот и направена е од слабо допиран, високоотпорен материјал. Колекторот го опкружува емитерскиот дел и скоро оневозможува електроните и шуплините инјектирани во базата да избегнат да бидат собрани, правејќи на тој начин резултантната вредност на односот на струјата на емитерот и колекторот <math>\alpha\,</math> биде многу близу до единица и така давајќи му на транзисторот големо струјно засилување <math>\beta\,</math>. Попречниот пресек на биполарниот транзистор покажува дека спојот колектор-база е поголем од спојот емитер-база.
Биполарниот транзистор, за разлика од останатите транзистори, не е симетричен уред. Ова значи дека замената меѓу колекторот и емитерот доведува транзисторот да почнува да работи во инверзен режим. Заради тоа внатрешната структура на транзисторот обично е оптимизирана за работа во директен режим, замената на емитерот и колекторот ги прави вредностите <math>\alpha\,</math> и <math>\beta\,</math> помали во инверзниот режим отколку во директниот режим. Обично, <math>\alpha\,</math> во инверзен режим е помала од 0,5.
Мали промени на напонот приклучен на спојот емитер-база предизвикува струјата која тече меѓу колекторот и емитерот значајно да се промени. Овој ефект може да се користи за да се зголеми влезната струја. Биполарните транзистори може да се сметаат како напонски контролирани струјни извори, но обично се одликуваат како струјни засилувачи заради малата импеданса на базата. Првите транзистори биле направени од германиум, но модерните биполарни транзистори се направени од силициум.
3 Осетливост на транзисторот
Изложувањето на транзистор на јонизирачко зрачење предизвикува разорување заради зрачењето. Зрачењето предизвикува настанување на дефекти во базата кои се однесуваат како центри за рекомбинација. Ова предизвикува постепено опаѓање на функционалната работа на транзисторот.
4 Основи на функционирањето на биполарните транзистори
Биполарниот транзистор може да се набљудува како две диоди поврзани анода на анода. Во нормална работа, спојот емитер-база е директно поларизиран, а спојот база-колектор е инверзно поларизиран. На примерот на НПН транзистор, кога позитивен напон е доведен на спојот база-емитер, рамнотежата меѓу топлински створените носители и одбивното електрично поле, зоната на просторен електричен полнеж станува нарушена, дозволувајќи им на топлински побудените електрони да се инјектираат во базата. Овие електрони се движат (дифузираат) низ базата од делот со висока концентрација близу емитерот кон делот со помала концентрација близу колекторот. Овие електрони во базата се викаат малцински носители бидејќи базата е позитивно допирана што ги прави шуплините мнозински носители во базата (ова не треба да се сфати дека бројот на инјектирани електрони е мал). Клучна особина на дизајнот на биполарните транзистори е базата да се направи многу тенка така што електроните поминуваат малку време во базата; мнозинството електрони се дифузира до колекторот пред да се рекомбинираат со шуплините во базата. Спојот база-колектор е инверзно поларизиран така што не се врши инјектирање на електрони од колекторот во базата, но електроните кои се дифузираат од базата кон колекторот се уфрлени во колекторот со посредство на електрично поле во зоната на просторен електричен полнеж на спојот база-колектор. Односот на електрони кои можат да поминат низ базата и да стигнат колекторот е мерка на ефикасност на биполарните транзистори. Високо допиран емитерски регион и слабо допиран базен регион предизвикува многу повеќе електрони да преминат од емитерот во базата отколку шуплини од базата во емитерот. Струјата на базата е сума на шуплините уфрлени во емитерот и електроните кои се рекомбинираат во базата – и двете се во мал размер во однос на струјата на емитерот и колекторот. Оттаму мала промена на струјата на базата може да влијае на голема промена на текот на електрони меѓу емитерот и колекторот. Односот на овие струи I<sub>c</sub>/I<sub>b</sub> се нарекува ''струјно засилување и се означува со <math>\beta\,</math> или h<sub>fe</sub> и обично е 100 или повеќе.
5 Транзистори во кола
Горната слика е шематски приказ на НПН транзистор приклучен на два извори на напон. За да транзисторот ја спроведува осетливата струја (ред на милиампери) од колекторот до емитерот, <math>V_{BE}</math> мора да биде еднаков или малку поголем од напонот на прагот. Напонот на прагот обично е меѓу 0,6 и 0,7 V за силициумски НПН транзистори. Овој доведен напон предизвикува на долниот П-Н спој да се дозволи проток на електрони од емитерот во базата. Заради електричното поле кое постои меѓу базата и колекторот (кое го предизвикал <math>V_{CE}</math>), мноштвото од тие електрони преминува преку горниот П-Н спој во колекторот правејќи ја колекторската струја <math>I_C</math>. Другиот дел електрони се рекомбинира, додека остатокот електрони излегува од базата и ја прави базната струја <math>I_B</math>. Како што е покажано на сликата, емитерската струја <math>I_E</math> е вкупна струја на транзисторот која е сума на другите две струи. Тоа е:
:<math>I_E = I_B + I_C\,</math>
(Забелешка: на оваа слика стрелките ја покажуваат насоката на струјата која е во согласност со конвенционалната насока на струјата – текот на електроните е спротивен на насоката на стрелките бидејќи електроните носат негативен електричен полнеж). Односот на колекторската и базната струја се нарекува струјно засилување. Ова засилување обично е многу големо и често е преку 100 или повеќе. Би требало да се напомене дека базната струја е во експоненцијална зависност од <math>V_\mathrm{BE}</math>. За типичен транзистор, зголемувањето <math>V_\mathrm{BE}</math> од само 60 mV ја зголемува базната струја 10 пати.
Транзисторите имаат различни режими на работа. Во линеарниот режим, струјата на колекторот (емитерот) приближно е пропорционална на струјата на базата, но неколкупати поголема, правејќи го овој модел идеален за засилување на струјата. Биполарниот транзистор влегува во заситување кога базната струја се зголеми до точка кога надворешното коло ја спречува колекторската струја понатаму да расте. Во таа точка, спојот база-колектор станува исто така директно поларизиран. Заостанатиот напон опаѓа 100 до 300 mV (во зависност од количината на базна струја).
Значително поретко, биполарните транзистори работат со заменети колектор и емитер, така што струјата база-колектор може да ја контролира струјата емитер-колектор. Во овој режим, засилувањето е многу помало (на пример 2 наместо 100).
Транзисторот работи во режим на неспроведување (закочување) кога напонот база-колектор е премал за да протекува некоја позначајна струја. За типичен силициумов транзистор, тоа е случај кога напонот е помал од 0,7 V. Биполарен транзистор кој работи само во режим на неспроведување и заситување може да се посматра како електронски прекинувач.
6 Примена
Заради својата температурна осетливост, биполарниот транзистор може да се користи за мерење температура. Неговата нелинеарна одлика исто така може да се искористи да пресметува логаритми. Германиумските транзистори биле често користени во 1950-тите и 1960-тите години, и иако поседуваат помал напон на прагот, што ги прави попогодни за некои примени, имаат голема склоност кон термален пробој.
7 Теорија и моделирање
7.1 Еберс-Молов модел
Струите на емитерот и колекторот во нормална работа се дадени со Еберс-Моловиот модел:
: <math>I_\mathrm{E} = I_\mathrm{ES} (e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T} - 1)</math>
: <math>I_\mathrm{C} = \alpha_F I_\mathrm{ES} (e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T} - 1)</math>
Струјата на базата главно настанува заради дифузија
: <math>J_p(Base) = \frac{q D_p p_{bo{W} \left[exp \left(\frac{V_{EB{V_T}\right)\right]</math>
каде
* <math>I_\mathrm{E}</math> - е струја на емитерот
* <math>I_\mathrm{C}</math> - е струја на колекторот
* <math>\alpha_F</math> - е фактор на струјно засилување од емитерот до колекторот (0,98 до 0,998)
* <math>I_\mathrm{ES}</math> - е инверзна струја на заситување на спојот база-емитер (во опсег од 10<sup>−15</sup> до 10<sup>−12</sup> ампера)
* <math>V_\mathrm{T}</math> - е топлински напон (приближно 26 mV на собна температура ≈ 300 K).
* <math>V_\mathrm{BE}</math> е напонот база-емитер
* ''W'' е ширина на базата
Колекторската струја е незначително помала од емитерската струја, бидејќи вредноста <math>\alpha_F</math> е многу близу 1,0. Кај биполарните транзистори малата струја низ базата предизвикува голема струја во колекторот. Односот на дозволена колекторска и базна струја се нарекува „струјно засилување“, β или <math>h_\mathrm{FE}</math>. A вредноста 100 за β е типична вредност за мали биполарни транзистори. Во типична конфигурација, многу мала сигнална струја тече низ спојот база-емитер заради контролирање на колекторската струја. β е поврзана со α преку следните равенки:
: <math>\alpha_F = \frac{I_\mathrm{C{I_\mathrm{E</math>
: <math>\beta_F = \frac{I_\mathrm{C{I_\mathrm{B</math>
: <math>\beta_F = \frac{\alpha_F}{1 - \alpha_F}</math>
Ефикасноста на емитерот: <math>\eta = \frac{J_p(Base)}{J_E}</math>
Уште едно множество равенки кое се користи за да се опишат трите струи во кој било работен дел е дадено подолу. Овие формули се засновани на преносниот модел на биполарниот транзистор.
<math> i_\mathrm{C} = I_\mathrm{S}(e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T} - e^{\frac{V_\mathrm{BC{V_\mathrm{T}) - \frac{I_\mathrm{S{\beta_\mathrm{R(e^{\frac{V_\mathrm{BC{V_\mathrm{T} - 1)</math>
<math> i_\mathrm{B} = \frac{I_\mathrm{S{\beta_\mathrm{F(e^{\frac{V_\mathrm{BC{V_\mathrm{T} - 1) + \frac{I_\mathrm{S{\beta_\mathrm{R(e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T} - 1)</math>
<math> i_\mathrm{E} = I_\mathrm{S}(e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T} - e^{\frac{V_\mathrm{BC{V_\mathrm{T}) + \frac{I_\mathrm{S{\beta_\mathrm{F(e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T} - 1)</math>
каде
* <math>i_\mathrm{C}</math> - е колекторска струја
* <math>i_\mathrm{B}</math> - е базна струја
* <math>i_\mathrm{E}</math> - е емитерска струја
* <math>\beta_\mathrm{F}</math> е засилување на емитерската струја при директна поларизација (20 до 50)
* <math>\beta_\mathrm{R}</math> е засилување на емитерската струја при инверзна поларизација (0 до 20)
* <math>I_\mathrm{S}</math> - е инверзна струја на заситување (во опсег од 10<sup>−15</sup> до 10<sup>−12</sup> ампера)
* <math>V_\mathrm{T}</math> - е топлински напон (приближно 26 mV на собна температура ≈ 300 K).
* <math>V_\mathrm{BE}</math> - е напонот база-емитер
* <math>V_\mathrm{BC}</math> - е напонот база-колектор
7.1.1 Промена на ширината на базата
Ако доведениот напон база-колектор (<math>V_{BC}</math>) варира, ширината на зоната на просторен електричен полнеж меѓу базата и колекторот се менува. Оваа промена предизвикува да се промени засилувањето на транзисторот бидејќи засилувањето зависи од ширината на базата. Ова често се нарекува Ерлиев ефект.
Во директен режим Ерлиевиот ефект влијае на струјата на колекторот (<math>i_\mathrm{C}</math>) и засилувањето на емитерската струја при директна поларизација (<math>\beta_\mathrm{F}</math>) спрема следните равенки:
<math> i_\mathrm{C} = I_\mathrm{S} (e^{\frac{V_\mathrm{BE{V_\mathrm{T}) (1 + \frac{V_\mathrm{CE{V_\mathrm{A)</math>
<math> \beta_\mathrm{F} = \beta_\mathrm{F0}(1 + \frac{V_\mathrm{CE{V_\mathrm{A)</math>
каде
* <math>V_\mathrm{CE}</math> - е напонот колектор-емитер
* <math>V_\mathrm{A}</math> - е Ерлиев напон (15 V до 150 V)
* <math>\beta_\mathrm{F0}</math> е засилување на емитерската струја на нулти преднапон
7.1.2 Пробој
Кога напонот база-колектор ќе достигне одредена (во зависност од транзисторот) вредност, границата на зоната на просторен електричен полнеж на спојот база-колектор се спојува со границата на зоната на просторен електричен полнеж на спојот база-емитер. Кога е во оваа состојба, транзисторот нема база и транзисторот тогаш го губи своето засилување.
7.2 Модел со h параметри
Друг модел кој често се користи во анализа на кола со биполарни транзистори е моделот со h параметри. Овој модел е мрежа со два пристапа, исклучително погодна за биполарни транзистори бидејќи овозможува лесна анализа на однесувањето на колото, а може да се користи за да се добијат уште попрецизни модели. На сликата ''„x“'' претставува база, колектор или емитер во зависност од топологијата која се користи (степени со заеднички емитер, база или колектор). За најчесто користениот степен со заеднички емитер, симболите од сликата ги земаат следните вредности:
* Во оваа топологија x е 'e' (означува емитер)
* Приклучок 1 = база
* Приклучок 2 = колектор
* Приклучок 3 = емитер
* ''i''<sub>in</sub> = струја на базата (''i''<sub>b</sub>)
* ''i''<sub>o</sub> = струја на колекторот (''i''<sub>c</sub>)
* ''V''<sub>in</sub> = напон база-емитер (''V''<sub>BE</sub>)
* ''V''<sub>o</sub> = напон колектор-емитер (''V''<sub>CE</sub>)
а h-параметрите се претставени со:
* ''h''<sub>ix</sub> = ''h''<sub>ie</sub> - влезна импеданса на транзисторот (соодветствува на отпорот на емитерот ''r''<sub>e</sub>).
* ''h''<sub>rx</sub> = ''h''<sub>re</sub> - зависноста на кривата ''I''<sub>B</sub>-''V''<sub>BE</sub> од вредноста ''V''<sub>CE</sub>. Обично таа е многу мала и често се занемарува.
* ''h''<sub>fx</sub> = ''h''<sub>fe</sub> - струјно засилување на транзисторот. Овој параметар често во спецификациите се наведува како ''h''<sub>FE</sub> или параметар ''β''<sub>DC</sub>.
* ''h''<sub>ox</sub> = ''h''<sub>oe</sub> - излезна импеданса на транзисторот. Овој параметар најчесто се наведува како адмитанса, реципрочна вредност на импедансата.
Со мали букви се означени индексите на h параметрите при AC, со големи при DC анализа. Моделот на оваа топологија при анализата на колата може дополнително да се поедностави, така што некои од параметрите се игнорираат (''h''<sub>oe</sub> и ''h''<sub>re</sub>), се земаат како вредност нула (краток спој) или бесконечност (прекин на колото). Треба да се забележи и дека овој модел исто така може да се примени при анализа на кола со сигнали со ниски честоти и кола со мали сигнали.
При анализа на работа на кола со сигнали со високи честоти овој модел не се користи, со оглед дека кај h параметрите се работи за параметри од типот на отпор и спроводливост, а при оваа анализа е потребно да се користат и параметри за капацитет кои имаат доминантен ефект при високи честоти.
8 Поврзано
* Транзистор
* Транзистор со ефект на поле
* Тиристор
* Диода