Биполярный переходной транзистор

Биполярный переходной транзистор ( BJT ) представляет собой тип транзистора , в котором в качестве носителей заряда используются как электроны , так и электронные дырки . Напротив, униполярный транзистор, такой как полевой транзистор , использует только один вид носителей заряда. Биполярный транзистор позволяет небольшому току, подаваемому на один из его выводов, управлять гораздо большим током, протекающим между выводами, что делает устройство способным к усилению или переключению.

BJT используют два перехода между двумя типами полупроводников , n-типа и p-типа, которые представляют собой области в монокристалле материала. Переходы могут быть выполнены несколькими различными способами, такими как изменение легирования полупроводникового материала по мере его выращивания, путем осаждения металлических гранул для формирования сплавных переходов или такими методами, как диффузия легирующих веществ n-типа и p-типа в кристалл. Превосходная предсказуемость и производительность переходных транзисторов вскоре вытеснили оригинальный точечный транзистор . Рассеянные транзисторы, наряду с другими компонентами, являются элементами интегральных схем аналогового и цифрового назначения. Сотни биполярных транзисторов могут быть изготовлены в одной схеме по очень низкой цене.

Интегральные схемы на биполярных транзисторах были основными активными устройствами поколения мейнфреймов и мини-компьютеров, но в настоящее время в большинстве компьютерных систем используются интегральные схемы, основанные на полевых транзисторах . Биполярные транзисторы до сих пор используются для усиления сигналов, коммутации и в цифровых схемах. Специализированные типы используются для выключателей высокого напряжения, для усилителей радиочастоты или для коммутации больших токов.

По соглашению направление тока на диаграммах показано как направление движения положительного заряда. Это называется обычным током . Однако ток во многих металлических проводниках обусловлен потоком электронов. Поскольку электроны несут отрицательный заряд, они движутся в направлении, противоположном обычному току. ^[а]С другой стороны, внутри биполярного транзистора токи могут состоять как из положительно заряженных дырок, так и из отрицательно заряженных электронов. В этой статье стрелки тока показаны в обычном направлении, а метки движения дырок и электронов показывают их фактическое направление внутри транзистора. Стрелка на символе биполярных транзисторов указывает на PN-переход между базой и эмиттером и указывает направление, в котором течет обычный ток.

BJT существуют как типы PNP и NPN, основанные на типах легирования трех основных концевых областей. Транзистор NPN содержит два полупроводниковых перехода , которые имеют общую тонкую область с примесью p, а транзистор PNP содержит два полупроводниковых перехода, которые имеют общую тонкую область с примесью n. N-тип означает легирование примесями (такими как фосфор или мышьяк), которые обеспечивают подвижные электроны, в то время как P-тип означает легирование примесями (например, бором), которые создают дырки, которые легко принимают электроны.

Поток заряда в BJT обусловлен диффузией носителей заряда через переход между двумя областями с разной концентрацией носителей заряда. Области BJT называются эмиттером , базой и коллектором . ^[b] Дискретный транзистор имеет три вывода для подключения к этим областям. Как правило, область эмиттера сильно легирована по сравнению с двумя другими слоями, а коллектор легирован слабее, чем база (легирование коллектора обычно в десять раз легче, чем легирование базы ^[2] ). По своей конструкции большая часть тока коллектора BJT обусловлена ​​​​потоком носителей заряда (электронов или дырок), инжектируемых из сильно легированного эмиттера в базу, где они находятся.неосновные носители , которые диффундируют к коллектору, поэтому BJT классифицируются как устройства с неосновными носителями.

NPN BJT с переходом B – E с прямым смещением и переходом B – C с обратным смещением

Упрощенное поперечное сечение планарного транзистора с биполярным переходом NPN

Кристалл транзистора 2N2222 NPN. Соединительные провода соединяются с базой и эмиттером.

Символ биполярного транзистора NPN с направлением тока

выходные характеристики

Входные и выходные характеристики усилителя на кремниевом транзисторе с общей базой.

Структура и использование транзистора NPN. Стрелка по схеме.

Зонная диаграмма для транзистора NPN в состоянии равновесия

Зонная диаграмма транзистора NPN в активном режиме, показывающая инжекцию электронов от эмиттера к базе и их выброс в коллектор

Модель Эберса – Молла для NPN-транзистора. ^[27] I _B , I _C и I _E – токи базы, коллектора и эмиттера; I _CD и I _ED – токи коллекторного и эмиттерного диодов; α _F и α _R — прямые и обратные коэффициенты усиления по току с общей базой.

Модель Эберса – Молла для транзистора PNP

Аппроксимированная модель Эберса – Молла для NPN-транзистора в прямом активном режиме. Коллекторный диод смещен в обратном направлении, поэтому ICD _{практически} равен нулю. Большая часть тока эмиттерного диода ( α _F почти равна 1) отводится от коллектора, обеспечивая усиление тока базы.

Вверху: ширина базы NPN для низкого обратного смещения между коллектором и базой; Внизу: более узкая ширина базы NPN для большого обратного смещения между коллектором и базой. Хэшированные области являются истощенными областями .

Модель гибридного пи

Обобщенная модель h-параметров NPN BJT.
Замените x на e , b или c для топологий CE, CB и CC соответственно.