Биполярный транзистор / forpes.ru

Главная
Биполярный транзистор

Биполярный транзистор +18

13.10.2021 01:50

Timbalut 42 19000 Источник

1. Основные сведения

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков - как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р⁺ область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

Расстояние между металлургическими границами переходов называется физической толщиной базы «L» .
Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие $L<\lambda$ , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия $W<\lambda$ , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси N_A в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 10¹⁷ – 10¹⁸ ат/см³ (этот факт обозначен символом р⁺). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси N_D в ней составляет ~ 10¹³ – 10¹⁴ ат/cм³. В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

тонкая база - $W<\lambda$ ;
односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

низкочастотные не более 3 МГц;
средней частоты - от 3 МГц до 30МГц;
высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;
сверхвысокочастотные - более 300 МГц

По мощности выделяют следующем образом:

маломощные - не более 0,3 Вт;
средней мощности - от 0,3 Вт до1,5 Вт;
большой мощности - более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные транзисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносекундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением U_эб, а коллекторный закрыт обратным смещением U_кб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10¹⁷см^-3, а справа 10⁶см^-3. Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника U_эб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

I’_к = αI_э, (2.1)

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α <1. При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника U_эб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

$I'_n=( 1- \alpha) I_э$ (2.2)

В цепи коллектора кроме управляемого тока I’_к = αI_э протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток I_кб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения U_кб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора I_кб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

~~$I_к = \alpha I_э + I_{кб0}.$~~ (2.3)

В нормальных условиях работы $I_{кб0} <<I_б, I_к, I_э$ поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

I_к = αI_э, (2.4)

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

I_б = (1- α) I_э (2.5)

Согласно первому закону Кирхгофа,

(2.6)

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

β = I_к/I_б = α/ (1- α). (2.7)

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

(2.8)

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры
и n-p-n структуры . — Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.
Режим насыщения- оба перехода открыты.
Режим отсечки- оба перехода закрыты.
Инверсный режим- эмиттерный переход закрыт, коллекторный - открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение U_эб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение U_кб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение U_бэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение U_кэ той же полярности распределяется между обоими переходами: U_кэ = U_кб + U_бэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие U_кб = U_кэ - U_бэ> 0, что обеспечивается неравенством U_кэ> U_бэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами - входными и выходными напряжениями и токами: U_вх = U₁, U_вых = U₂, I_вх = I₁, I_вых = I₂. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

U_1=H_1(I_1,U_2) ; (4.1)

I_1=H_2(I_1,U_2).

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

входная характеристика:

$U_1={f_1(I_1)}_{U_2=const}$ (4.2)

выходная характеристика:

$I_2={f_2(U_2)}_{I_1=const}$ (4.3)

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

$I_1={\varphi_1(U_1)}_{U_2=const}$ (4.4)

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к, соответственно, входным напряжением является напряжение U_эб, а выходным – напряжение U_кб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

$I_э={\varphi_1(U_{эб})}_{U_{кб}=const}$ (4.5)

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость I_э от U_кб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода U_кбуменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту I_э. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений $|U_{эб}|$ . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение U_эб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым ( $I_э \approx 0$ ) и при прямых напряжениях $|U_{эб}| <|U_{эбпор}|$ .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

$I_к={f_2(U_{кб})}_{U_{эб}=const}$ (4.6)

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

$I_к = αI_э + I_{кб0}$ (4.7)

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения U_кб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении U_кб имеет место небольшой рост I_к, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При I_э = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (I_к = I_кб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение U_кб, большее порогового значения U_{кб пор}, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току I_к. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом $|U_{кб}|$ , в результате чего I_к очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы I_б, а выходным – ток коллектора I_к. Соответственно, входным напряжением является напряжение U_бэ, а выходным – U_кэ.

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

$I_б=\varphi_1(U_{бэ})_{U_{кэ}=const}$ (4.8)

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы I_б от напряжения на коллекторе U_кэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом U_кэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений U_бэ. Следует отметить, что I_б = 0 при некотором значении U_пор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)I_э становится равным тепловому току I_кэ0. При U_бэ <U_пор, I_б = - I_кэ0, что соответствует режиму отсечки.

При U_кэ <U_бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

$I_к=f_2(U_{кэ})_{I_б=const}$ (4.9)

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

$I_к= \frac{\alpha}{1-\alpha}I_б + \frac{I_{кб0}}{1-\alpha}=\beta I_б+I_{кэ0}$ (4.10)

Ток I_кэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

$I_{кэ0} \approx βI_{кб0}.$ (4.11)

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение U_кэ распределено между обоими переходами. При U_кэ <U_бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при U_кэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. I_к становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост I_к при увеличении U_кэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока I_к с ростом напряжения U_кэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем I_кб0, сквозного теплового тока I_кэ0 (4.11).

Комментарии (42)

dubovcevd
13.10.2021 07:23
#23585470
+4
Всегда вспоминаю фразу из школьного учебника физики, пусть не дословно, но близко к смыслу:
"Понять, как работает транзистор не просто, но его же придумали, значит это возможно."

Firsto
13.10.2021 08:06
#23585516
+16
Ожидал тут увидеть описание "на пальцах" для самых маленьких. Это точно электроника для начинающих? :-)
1. Goron_Dekar
  13.10.2021 09:08
  #23585630
  +7
  Тут именно она. Ни тебе моделей, ни ЧАХ, ни паразитных элементов.
1. GospodinKolhoznik
  13.10.2021 09:14
  #23585646
  Это ещё для начинающий. Чтобы по взрослому описать работу даже не транзистора, а простого резистора надо теорию поля подключать и кучу всяких квантовых эффектов.
  1. order227
    13.10.2021 12:13
    #23586390
    +4
    кучу всяких квантовых эффектов
    
    Это если через резисторы начать пихать 10+ ГГц?))
    
    tbl
    13.10.2021 13:41
    #23586752
    Да нет, они начинают лезть даже при объяснении диссипации энергии при протекании тока. Смотри эволюцию моделей от Друде до Друде-Зоммерфельда. Даже в самой первой модели вылезал оператор усреднения такой квантовой величины как импульс электрона.
    
    GospodinKolhoznik
    13.10.2021 19:26
    #23588232
    +1
    Опыт Франка Герца наверное самый первый в истории эксперимент, в котором полезли квантовые эффекты по сути был по измерению сопротивления резистора.
    
    Правда резистор был необычный - стеклянная трубка с парами ртути. На такой трубке эффект сильно выражен.
  1. agat000
    14.10.2021 10:10
    #23589654
    Угу, а еще у резистора есть теплоотдача (максимальная рассеиваемая мощность) - можно пригнать еще и теплофизику , есть прочность корпуса (превед, сопромад) и специальные краски-лаки (органическая химия не для слабонервных).
    
    И класс точности. Погрешность. Тервер. Аминь.

roginvs
13.10.2021 08:32
#23585564
+3
Почему вывод базы делают не по центру?
1. Barabas79
  13.10.2021 09:38
  #23585714
  +14
  Чтобы насолить перфекционистам )
1. shovdmi
  13.10.2021 10:54
  #23586014
  +2
  Коллектор слабее легируется по сравнению с эмитетром, поэтому имеет большее сопротивление и соответственно сильнее нагревается. А с поверхности большей площади тепло рассеивается лучше.
  
  Поэтому размер коллектора делают больше размера эмиттера.
  1. Tiriet
    13.10.2021 14:52
    #23587182
    а что мешает легировать коллектор сильнее- тогда у него будет меньшее сопротивление и он будет слабее нагреваться?
    
    дырки из эмиттера в базу затягивает электрическое поле от приложенного между базой и эмиттером напряжение, это вынужденный процесс, регулируемый напряжением базы. Для этого процесса не очень-то и важно, какая площадь контакта между базой и эмиттером. А вот в переход база-коллектор эти дырки попадают за счет диффузии- то есть, случайного хаотического блуждания этих самых дырок по объему базы и повлиять на этот процесс никак нельзя (ну, почти никак). Для того, чтобы экстракция дырок из базы в коллектор была существенной, очень желательно сделать так, чтобы объем обедненного слоя между базой и коллектором был относительно большой, чтобы дырки, плутая по базе- почти гарантированно залезли в этот переход и экстрактировались оттедова. А этого можно достичь, если сделать переход коллектор-база относительно толстым и при этом- большой площади. Вот и получается, что удобная схема реализации транзистора- это крошечный эмиттер с высокой степенью легирования (чтобы инжеция дырок в базу шла, а электронов из базы в эмиттер- почти нет) + слаболегированная тонкая база между эмиттером и коллектором + большой среднелегированный коллектор, окружающий базу с большой площадью контакта база-коллектор, чтобы хорошо экстрактировать неуправляемые дырки из базы. Собственное сопротивление коллектора не столь важно, так как в коллектор поступают избыточные заряды из эмиттера, и чем их больше поступает- тем больше растет его проводимость, + проводимость растете при нагреве (за счет собственной генерации электронно-дырчных пар). Обратите внимание, что весь ток, втекающий в коллектор- перед этим протек через базу. А сопротивление базы-то вообще по сравнению с коллектором на порядки выше, но ее тепловыделение Вас почему-то не интересует. А потому, что размеры всего устройства- доли миллиметра. на таких размерах не важно, что именно выделяет тепло- эмиттер, коллектор или база.
    
    amartology
    13.10.2021 15:21
    #23587326
    +2
    а что мешает легировать коллектор сильнее- тогда у него будет меньшее сопротивление и он будет слабее нагреваться?
    При сильнолегированном коллекторе сложнее регулировать толщину базы, а значит будет ниже выход годных и выше разброс параметров от чипа к чипу.
    Кроме того, при слаболегированном коллекторе ниже паразитная емкость база-эмиттер.
    Кроме того, базу в коллекторе и эмиттер в базе обычно создают перекомпенсацией, поэтому уровень легирования базы обязан быть существенно ниже, чем у эмиттера, а у коллектора — ниже, чем у базы.
    
    Для этого процесса не очень-то и важно, какая площадь контакта между базой и эмиттером.
    Неверно, эффекты плотности тока существуют и должны учитываться.
    
    А вот в переход база-коллектор эти дырки попадают за счет диффузии
    Не обязательно диффузии, можно использовать и дрейф.
    
    Для того, чтобы экстракция дырок из базы в коллектор была существенной, очень желательно сделать так, чтобы объем обедненного слоя между базой и коллектором был относительно большой
    Неверно. Нужно делать тонкую базу, а не широкий обедненный слой.
    
    проводимость растете при нагреве
    Это опасный эффект, с которым борются.
    
    А сопротивление базы-то вообще по сравнению с коллектором на порядки выше, но ее тепловыделение Вас почему-то не интересует.
    Вы путаете входное сопротивление базы с сопротивлением базового слоя транзистора. Не стоит этого делать.
    
    Tiriet
    13.10.2021 16:20
    #23587550
    Неверно, эффекты плотности тока существуют и должны учитываться.
    
    понятно, что там куча всяких эффектов должна учитываться, но это не отменят того факта, что основной принцип инжекции- вынужденное перемещение носителей из эмиттера в базу под воздействием внешнего электрического поля через открытый переход, и для этого процесса размер эмиттера, ширина перехода между эмиттером и базой и все остальное- не является определяющими факторами (хотя и могут быть значимыми для достижения наивысших характеристик конечного изделия).
    
    Не обязательно диффузии, можно использовать и дрейф.
    
    можно, только НЯП, диффузия за счет градиента плотности дырок в базе на порядки выше дрейфа поперек базы за счет разности потенциалов между эмиттером и коллектором. Рост коллекторного тока при росте Ucb объясняют эффектом Эрли, а не увеличением дрейфа.
    
    Неверно. Нужно делать тонкую базу, а не широкий обедненный слой.
    
    я не говорил, что обязательно делать широкий слой, я сказал, что объем этого слоя относительно полного объема базы должен быть большой, имея в виду, что он должен накрывать большую часть базы, не оставляя свободного места для дрейфа носителей по базе куда не надо дрейфовать. Не совсем аккуратная формулировка, но и требование просто тонкой базы тоже не очень точное. у меня в базе три конкурирующих процесса: дрейф дырок из эмиттера в электрод базы под действием Ueb, рекомбинация дырок из эмиттера с электронами базы и диффузия дырок из эмиттерного перехода (который у меня рассосался, кстати, от прямого напряжения) за счет градиента плотности распределения этих самых дырок в базе. Первые два процесса увеличивают ток базы и уменьшают бету. А мне надо, чтобы за то время, пока дырки дрейфуют от эмиттера через базу к электроду базы они успели сдиффундировать до зоны действия коллекторного перехода, который их экстрактирует. Для этого нужно сделать так, чтобы этот самый переход начинался как можно ближе к границе эмиттер-база, и чтобы дрейфовать вдоль базы им было не так чтобы много места где. А этого можно добиться и увеличением ширины перехода КБ, и уменьшением полной толщины базы, и более того- можно вообще сделать базу длинной-длинной, эмиттер посадить на один ее конец, электрод базы- на другой, а коллектор- поставить по обочинам этой трассы- тогда за время дрейфа зарядов по длинной толстой базе они все равно сдиффундируют на ее бочины к коллектору и экстрактируются (и такой подход используется в ИМС ОУ). в общем-то оба этих подхода и используются.
    
    Это опасный эффект, с которым борются.
    
    Это не отменяет того, что он увеличивает проводимость коллектора.
    
    Вы путаете входное сопротивление базы с сопротивлением базового слоя транзистора. Не стоит этого делать.
    
    нет, не путаю. Я именно про сопротивление материала самой базы говорил (базового слоя). Весь ток коллектора прежде чем попасть в коллектор протек через базу, а еще ранее- через эмиттер. И если в эмиттере носителей много, то база-то обедненная, проводимость ее низкая. А этот ток выделял тепло и там, и там. Причем, эмиттер имел самую высокую плотность тока и большое локальное тепловыделение. Поэтому нельзя говорить, что коллектор делается большой для съема тепла. Он большой для обеспечения эффективной экстракции, но так как он получился большой- съем тепла с него делать удобно- и то, не всегда, иногда съем тепла удобнее делать вообще с подложки, как у тех же самых ОУ- и пофиг им, где и каких размеров там коллекторы.
    
    amartology
    13.10.2021 18:44
    #23588068
    +1
    эмиттерного перехода (который у меня рассосался, кстати, от прямого напряжения
    С чего бы? Там вполне себе понятной и довольно большой ширины обедненная область в нормальных обстоятельствах.
    
    база-то обедненная
    С чего бы?
    проводимость ее низкая
    С чего бы?
    
    Поэтому нельзя говорить, что коллектор делается большой для съема тепла.
    Окей, давайте сделаем один шаг дальше. Коллектор должен выдерживать довольно большое обратное напряжение, для этого ему нужен длинный обедненный (в идеале вообще не легированный) слой. Чтобы этот слой не имел большого сопротивления, он должен иметь большое сечение. Чтобы обеспечить это сечение, коллектор дискретных транзисторов обычно делают на обратной стороне кристалла.
    
    иногда съем тепла удобнее делать вообще с подложки, как у тех же самых ОУ- и пофиг им, где и каких размеров там коллекторы.
    Вообще не пофиг, это много и подробно анализируется. Съем тепла с подложки делается потому, что к другим частям кристалла гораздо сложнее подобраться с теплоотводом, а не потому, что этот вариант чем-то действительно хорош.
1. amartology
  13.10.2021 11:36
  #23586196
  +5
  Потому что вывод коллектора обычно находится с обратной стороны кристалла, и именно его удобно сделать по центру, приклеив непосредственно на металлизацию вывода.
  Кроме того, в отличие от коллектора, до базы и эмиттера идут внутри корпуса проволочные соединения, у которых есть индуктивность. Наличие такой индуктивности на коллекторе создало бы кучу проблем, а на базе и эмиттере они не так критичны.
1. engine9
  13.10.2021 12:45
  #23586516
  Смотря у кого :) У маломощных германиевых "МПшек" база была единым целым с корпусом.
  1. tbl
    13.10.2021 13:48
    #23586790
    +2
    Тогда переходы растили от базы в обе стороны по сплавной технологии, если не ошибаюсь. Если спилить верх шляпки (достаточно популярная операция в то время для получения фототранзистора), то видно, как перпендикулярно припаяна пластинка с кристаллом к корпусу транзистора, и от нее в обе стороны отходят проводники к отводам коллектора и эмиттера

engine9
13.10.2021 09:49
#23585746
+11
Понимание работы биполярного транзистора (особенно схем его включения и диаграм характеристик) было чем-то вроде недосягаемой вершины для моего разума, которому легче даются вещи имеющие интерактивное, наглядное представление. И однажды (может быть года полтора назад) наткнулся на очень удобный и нежно обожаемый браузерный симулятор электрических цепей, который имеет возможность рисовать осцилограммы и динамические графики ВАХ.

Вот с ним в общих чертах удалось разобраться и наглядно увидеть режимы работы каскадов и транзистора. Особенно радостно было когда вдруг паззл сложился и стало понятно почему у эмиттерного повторителя высокое входное сопротивление и откуда оно возникает.

Инструмент хорош тем, что предоставляет сколь угодно большое количество индикаторов и приборов, например вот как может выглядеть лабораторная работа: https://coub.com/view/2mm4vr

А вот тут ссылка на сам симулятор: http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html
1. opanas
  13.10.2021 14:56
  #23587204
  +2
  Спасибо! Ох, как мне этого в школе и универе не хватало...
  
  А вот приложение EverCircuit с аналогичными (если не превышающими) возможностями под андроид.

akhkmed
13.10.2021 11:05
#23586062
Спасибо за статью. Если изменение h21e с изменением напряжения Uce связано с эффектом Эрли, то чем можно объяснить его снижение с ростом Ik? Есть ли подходящая мат.модель?
1. Tiriet
  13.10.2021 15:17
  #23587300
  рост Ik вызывает рост температуры всего транзистора, что приводит к увеличению термогенерации электронно-дырочных пар в базе и эмиттере, в результате чего из базы в эмиттер начинает поступать больше носителей заряда, в результате чего увеличивается ток базы при постоянном токе эмиттера, что приводит к снижению коэффициента \alfa, и как следствие- падению h21e.

amartology
13.10.2021 11:26
#23586156
+6
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.
Какого года книга, из которой сделана выжимка? Судя по отсутствию даже упоминаний интегральных схем — что-то из конца пятидесятых. За шестьдесят лет с тех пор наука и техника несколько спрогрессировали.

Но учить студентов продолжают вот по такому полвека назад устаревшему хламу, а потом все удивляются, как же так вышло, что российская микроэлектроника пребывает в таком плачевном состоянии?
1. order227
  13.10.2021 12:17
  #23586414
  +1
  Судя по отсутствию даже упоминаний интегральных схем
  
  Я вообще удивлен откуда там взялся транзистор, в СССР делали только калоши, а в них германию не место считаю :))
  
  А что есть почитать более менее современное? Просто всеми рекомендуемый для студентов и новичков Хорровиц-Хилл (по которому вроде и в Штатах до сих пор учатся) не сильно далеко ушли, там так же упоминают германиевые транзисторы, при этом не в курсе просто всякие SiC и GaN. Может есть книга с базой от 2015+ года и свежее?
  1. amartology
    13.10.2021 14:46
    #23587140
    +1
    А что есть почитать более менее современное?
    Титце-Шенк недавно в очередной раз переиздали. Плюс, может быть полезно почитать книги по основам дизайна интегральных схем — Аллена-Холберга или Разави.
  1. Tiriet
    13.10.2021 15:04
    #23587246
    +3
    а в SiC, GaN, GaAs или любом другом полупроводнике какие-то другие процессы идут? дырки веру меняют или p-n переход как-то по особому себя ведет? Физические принципы работы никак не изменились ни от внедрения SOI, ни от напряженного кремния, ни от внедрения .
    
    amartology
    13.10.2021 15:23
    #23587340
    +1
    а в SiC, GaN, GaAs или любом другом полупроводнике какие-то другие процессы идут?
    Учитывая, что транзисторы на GaN — это HEMT, да, процессы там довольно сильно отличаются.
    
    Физические принципы работы никак не изменились ни от внедрения SOI
    В FDSOI добавляется очень много нюансов. Это не говоря о том, что современному дизайнеру гораздо менее полезно знать устройство биполярного транзистора, чем устройство полевого.
    
    Tiriet
    13.10.2021 16:27
    #23587586
    ну, тогда надо не HEMT учитывать, а то, что GaN-транзисторы это полевые транзисторы. Биполярники из GaN и SiC никто не делает, ибо нафиг не надо. В этом смысле да- там совсем другие принцыпы, и их будут изучать студенты сразу после изучения принципов устройства биполярных транзисторов.
    
    а зачем дизайнеру вообще знать устройство транзистора? это ему как-то поможет рисовать?
    
    amartology
    13.10.2021 18:46
    #23588078
    а зачем дизайнеру вообще знать устройство транзистора? это ему как-то поможет рисовать?
    Вообще да, это необходимая часть скиллсета дизайнера. Если не знать, как работает транзистор, то как выбирать режим его работы в схеме? Как выбирать размеры? Как придумывать новые схемы в конце концов?
1. Tiriet
  13.10.2021 15:08
  #23587272
  +1
  как связаны физические принципы работы биполярных транзисторов и российская микроэлектроника с ее состоянием? Зачем при объяснении принципов работы транзисторов упоминать интегральные микросхемы? За шестьдесят лет наука о работе транзисторов спрогрессировала так, что они теперь работают совсем иначе, нежели во времена Шокли? А Вас не смущает, что в студенты изучают теорему Пифагора, ведь за две тысячи лет наука спрогрессировала страшно представить как, и не нужно уже студентов учить такому старью?
  1. amartology
    13.10.2021 15:27
    #23587362
    +1
    как связаны физические принципы работы биполярных транзисторов и российская микроэлектроника с ее состоянием?
    Да так, что подавляющее большинство современных микросхем — это КМОП, а в российских университетах до сих пор массово про ТТЛ рассказывают.
    
    А Вас не смущает, что в студенты изучают теорему Пифагора, ведь за две тысячи лет наука спрогрессировала страшно представить как, и не нужно уже студентов учить такому старью?
    Теорема Пифагора гораздо более актуальна сегодня, чем сплавные биполярные транзисторы из германия.
    
    Tiriet
    13.10.2021 16:45
    #23587652
    +1
    в моих ВУЗах последовательно рассказывали про полупроводники, p-n переход, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, принципы работы основных схем усилительных каскадов, РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, КМОП, общие принципы технологий производства ИМС на этих типах логики, логические элементы на основе этих типов логики, триггеры на них, регистры из этих триггеров и т.д. И все это не имеет почти никакого отношения к производству микроэлектроники, потому что производство- это вообще не про физику. Но те, кто занимается разработкой этой самой микроэлектроники (а они у нас в стране есть, как ни странно, и с GaAs тоже вполне себе умеют работать)- искренне считают, что не понимая основ, заложенных в 50-х годах прошлого века- в производстве микроэлектроники делать нечего. И чем Вам не нравятся сплавные транзисторы? Вся силовая электроника на них крутится, и не ноет, не одними интегральными схемами жив человек.
    
    amartology
    13.10.2021 18:48
    #23588084
    +3
    Но те, кто занимается разработкой этой самой микроэлектроники (а они у нас в стране есть, как ни странно
    Например, я.
    
    искренне считают, что не понимая основ, заложенных в 50-х годах прошлого века- в производстве микроэлектроники делать нечего.
    Понимать основы — надо. Учить основам на давно устаревших и далеких от современной действительности примерах — не надо. Примеры для вводных и ознакомительных занятий нужно подбирать максимально адекватные, а не сдувать пыль с артефактов полувековой давности.
    
    чем Вам не нравятся сплавные транзисторы? Вся силовая электроника на них крутится
    Вы точно не из семидесятых на машине времени приехали? Вся современная силовая электроника крутится на сложных структурах, получаемых при помощи гетероэпитаксии, фотолитографии и большого набора других операций, а вовсе не на сплавных транзисторах.
    
    omxela
    14.10.2021 00:25
    #23589014
    Например, я.
    
    Извините, ради бога, что я встреваю в дискуссию. Я старый радиолюбитель - но не более того. Но вот со студентами и школьниками иногда имею дело. Прекрасно знаю этот чудесный эффект: приходит очень хороший специалист, начинает объяснять свой предмет, всё правильно (он же спец), с актуальными примерами. А в аудитории мухи на лету дохнут от тоски. Масса деталей (важных), все нюансы отмечены, только никого ужЕ нет в живых.
    
    Вы не обижайтесь, я уверен, что Вы отменный мастер своего дела. И я тут вовсе не хочу судить. Но у коллеги Tiriet'а объяснять получается. Мне интересно. Есть иллюзия понимания и желание продвинуться дальше. Нюансы и важные детали - потом. При наличии интереса я сам до них доберусь. А вот если никого нет в живых - кто доберётся? Даже с Вашей помощью? Вот процесс (ужас!) обучения - он такой. Препод бубнит - студент смотрит в окно и изучает поведенческие особенности ворОн. Примеры актуальные. А понятной простой интересной затравочной картинки не случилось. Пусть даже слегка архаичной.
    
    amartology
    14.10.2021 10:32
    #23589722
    +1
    Но у коллеги Tiriet'а объяснять получается.
    Он довольно много перевирает в процессе, так что это не считается. А я, в отличие от него, умею объяснять, не перевирая, и так, что мухи не дохнут. Поэтому имею полное моральное право критиковать плохие объяснения.

engine9
14.10.2021 00:04
#23588942
Поясните, желательно "на пальцах", почему при изменении базового тока меняется выделяемая на коллекторе активная мощность? Вроде вопрос глупый, но ведь кристалл остаётся тем же, меняется количество носителей заряда (квазичастиц дырок или электронов), но условия в которых они проделывают свой путь не изменяются. Или изменяются? Спасибо.

Как объясняют в популярных книгах при прохождении тока через проводники с высоким сопротивлением электроны "натыкаются" на атомы материала и передают им часть энергии. А в полупроводнике каков механизм выделения тепла при протекании тока?

agat000
14.10.2021 10:15
#23589662
Мда, 20 лет назад у меня была 5 по "Физическим основам электроники". Сейчас смотрю как на китайские иероглифы. Нет, в общем теорию помню, если напрячься, то даже снова пойму, но с ходу это мрак и ужас.

GarryC
14.10.2021 11:01
#23589826
+1
Какое то странное изложение и не очень понятно, на кого ориентировано.

Для практического расчета подавляющего количества схем вполне достаточно модели Эберса-Молла со следующими упрощениями:
1. Активный режим - ток эмитера есть ток базы, умноженный на коэффициент усиления, напряжение база-эмитер равно напряжению открывания.
2. Инверсный активный режим - ток коллектора есть ток базы, умноженный на инверсный коэффициент усиления, напряжение база-коллектор равно напряжению открывания.
3. Насыщение - напряжение коллектор-эмитер равно напряжению насыщения, напряжения база-эмитер и база-коллектор равны напряжению открывания.
4. Отсечка - все токи равны нулю.
Ну и, конечно, законы Ома и Кирхгофа.
1. amartology
  14.10.2021 11:13
  #23589870
  +4
  Изложение ориентировано на получение инвайта путем копипасты из умной книги вместо какой-то собственной работы мысли.

Vilos
15.10.2021 09:20
#23592932
Похоже на то что это вырезка (кусок) какого-то другого труда, возможно книги.

Начинаем читать:

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие

Думаю....так,.... что-то я пропустил...что такое лямбда? <Вроде только начал читать и уже пропустил важное...>....потом понял это текст такой...автор неудосужился расшифровать.

Во времена моей учебы в ВУЗах (военный и гражданский), обязательным и непременным условием при описании (или сокращении/обозначении) любых величин, а уж тем более формул с ними подробное описание откуда это взялось и что это.

И дааа.....я знаю что такое биполярный транзистор (первое образование инженер радиолокации, второе выч. комплексы системы и сети), а статью пытался прочитать скорее для интереса как худ. книгу...

Автор, если тыришь откуда-то - давай отсылку, а если пишешь сам, то пиши для школьников, именно они целевая аудитория я так понимаю....в данном манускрипте школьники ничего не поймут, а если целевая аудитория постарше - они возьмут более достойный источник знаний, где нет пропусков с описанием величин.

pnl
15.10.2021 16:09
#23594482
"Расстояние между металлургическими границами переходов"

Точно металлургическими?
1. amartology
  15.10.2021 16:13
  #23594498
  Точно металлургическими, да. Это общеупотребительный русско- и англоязычный термин, означающий границу между по-разному легированными слоями.