Bipolaire junctietransistoren

De bipolaire junctietransistor (BJT) is genoemd omdat de werking ervan gepaard gaat met geleiding door twee dragers:elektronen en gaten in hetzelfde kristal. De eerste bipolaire transistor werd zo laat in 1947 in Bell Labs uitgevonden door William Shockley, Walter Brattain en John Bardeen dat hij pas in 1948 werd gepubliceerd. Veel teksten verschillen dus wat betreft de datum van uitvinding. Brattain maakte een germanium puntcontacttransistor , met enige gelijkenis met een puntcontactdiode. Binnen een maand had Shockley een meer praktische junction-transistor , die we in de volgende paragrafen beschrijven. Ze kregen in 1956 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor de transistor.

De bipolaire junctietransistor getoond in onderstaande afbeelding (a) is een NPN drielaagse halfgeleidersandwich met een emitter en verzamelaar aan de uiteinden, en een basis tussenin. Het is alsof er een derde laag is toegevoegd aan een tweelaagse diode. Als dit de enige vereiste was, zouden we niet meer dan een paar back-to-back diodes hebben. In feite is het veel gemakkelijker om een ​​paar back-to-back diodes te bouwen. De sleutel tot de fabricage van een bipolaire junctietransistor is om de middelste laag, de basis, zo dun mogelijk te maken zonder de buitenste lagen, de emitter en collector kort te sluiten. We kunnen het belang van het dunne basisgebied niet genoeg benadrukken.

BJT-knooppunten

Het apparaat in onderstaande afbeelding (a) heeft een paar knooppunten, emitter naar basis en basis naar collector, en twee uitputtingsgebieden.

(a) NPN-junctie bipolaire transistor. (b) Pas omgekeerde voorspanning toe op de collectorbasisovergang.

Het is gebruikelijk om de basis-collectorovergang van een bipolaire junctietransistor om te keren zoals weergegeven in (Figuur hierboven (b). Merk op dat dit de breedte van het uitputtingsgebied vergroot. De omgekeerde voorspanning kan enkele volt tot tientallen volt zijn voor de meeste transistoren. Er loopt geen stroom, behalve lekstroom, in het collectorcircuit.

In het onderstaande figuur (a) is een spanningsbron toegevoegd aan het emitterbasiscircuit. Normaal gesproken sturen we de emitter-basisovergang naar voren, waardoor de potentiaalbarrière van 0,6 V wordt overwonnen. Dit is vergelijkbaar met het doorsturen van een junctiediode. Deze spanningsbron moet 0,6 V overschrijden voordat meerderheidsdragers (elektronen voor NPN) van de emitter naar de basis stromen en minderheidsdragers worden in de P-type halfgeleider.

Als het basisgebied dik zou zijn, zoals in een paar back-to-back diodes, zou alle stroom die de basis binnenkomt, uit de basisleiding vloeien. In ons voorbeeld van een NPN-transistor zouden elektronen die de emitter naar de basis verlaten, worden gecombineerd met gaten in de basis, waardoor er ruimte ontstaat voor meer gaten in de (+) batterijterminal op de basis wanneer elektronen naar buiten gaan.

De basis is echter dun vervaardigd. Een paar meerderheidsdragers in de emitter, geïnjecteerd als minderheidsdragers in de basis, recombineren feitelijk. Zie onderstaande afbeelding (b). Weinig elektronen die door de emitter in de basis van een NPN-transistor worden geïnjecteerd, vallen in gaten. Ook stromen er weinig elektronen die de basis binnenkomen rechtstreeks door de basis naar de positieve accupool. Het grootste deel van de emitterstroom van elektronen diffundeert door de dunne basis in de collector. Bovendien produceert het moduleren van de kleine basisstroom een ​​grotere verandering in collectorstroom. Als de basisspanning voor een siliciumtransistor onder ongeveer 0,6 V daalt, houdt de grote emitter-collectorstroom op te vloeien.

NPN-overgang bipolaire transistor met omgekeerde voorgespannen collector-basis:(a) Voorwaartse voorspanning toevoegen aan basis-emitterovergang, resulteert in (b) een kleine basisstroom en grote emitter- en collectorstromen.

BJT-stroomversterking

In onderstaande afbeelding bekijken we het huidige versterkingsmechanisme van naderbij. We hebben een vergroot beeld van een NPN-junctietransistor met de nadruk op het dunne basisgebied. Hoewel niet getoond, nemen we aan dat externe spanningsbronnen 1) de emitter-basisovergang naar voren voorspannen, 2) de basis-collectorovergang in tegengestelde richting sturen. Stroom, verlaat de zender naar de (-) accupool. De basisstroom komt overeen met stromen die de basisterminal binnenkomen vanaf de (+) batterijterminal.

Dispositie van elektronen die de basis binnenkomen:(a) verloren door recombinatie met basisgaten. (b) Stroomt uit de basisleiding. (c) Het meest diffuus van de emitter door de dunne basis naar het uitputtingsgebied van de basiscollector, en (d) worden snel door het sterke elektrische veld van het uitputtingsgebied in de collector geveegd.

Meerderheidsdragers binnen de N-type emitter zijn elektronen, die minderheidsdragers worden wanneer ze de P-type basis binnenkomen. Deze elektronen worden geconfronteerd met vier mogelijke lotgevallen die de dunne P-type basis binnenkomen. Een paar bij Afbeelding hierboven (a) vallen in gaten in de basis die bijdragen aan de basisstroom naar de (+) batterijterminal. Niet weergegeven, kunnen gaten in de basis in de emitter diffunderen en combineren met elektronen, wat bijdraagt ​​aan de basisstroom. Weinigen bij (b) stromen door de basis naar de (+) batterijterminal alsof de basis een weerstand is. Zowel (a) als (b) dragen bij aan de zeer kleine basisstroom. Basisstroom is typisch 1% van de emitter- of collectorstroom voor kleine signaaltransistoren. De meeste emitterelektronen diffunderen dwars door de dunne basis (c) naar het gebied van de uitputting van de basiscollector. Let op de polariteit van het uitputtingsgebied rond het elektron bij (d). Het sterke elektrische veld veegt het elektron snel de collector in. De sterkte van het veld is evenredig met de spanning van de collectorbatterij. Zo vloeit 99% van de emitterstroom in de collector. Het wordt geregeld door de basisstroom, die 1% van de emitterstroom is. Dit is een potentiële stroomversterking van 99, de verhouding van I_C /I_B , ook bekend als bèta, β.

Deze magie, de diffusie van 99% van de emitterdragers door de basis, is alleen mogelijk als de basis erg dun is. Wat zou het lot zijn van de basisdragers van een minderheid in een 100 keer dikkere basis? Je zou verwachten dat de recombinatiesnelheid, elektronen die in gaten vallen, veel hoger zou zijn. Misschien zou 99%, in plaats van 1%, in gaten vallen en nooit bij de verzamelaar komen. Het tweede punt dat moet worden gemaakt, is dat de basisstroom 99% van de emitterstroom kan regelen, alleen als 99% van de emitterstroom in de collector diffundeert. Als het allemaal uit de basis stroomt, is er geen controle mogelijk.

Een ander kenmerk dat verantwoordelijk is voor het doorgeven van 99% van de elektronen van emitter naar collector, is dat echte bipolaire junctietransistoren een kleine zwaar gedoteerde emitter gebruiken. De hoge concentratie van emitterelektronen dwingt veel elektronen om in de basis te diffunderen. De lagere doteringsconcentratie in de basis betekent dat er minder gaten in de emitter diffunderen, wat de basisstroom zou verhogen. Diffusie van dragers van zender naar basis heeft een sterke voorkeur.

De dunne basis en de zwaar gedoteerde emitter helpen de emitterefficiëntie te behouden hoog, bijvoorbeeld 99%. Dit komt overeen met 100% emitterstroomverdeling tussen de basis als 1% en de collector als 99%. Het emitterrendement staat bekend als α =I_C /I_E .

Soorten BJT

Bipolaire junctietransistoren zijn beschikbaar als PNP- en NPN-apparaten. We presenteren een vergelijking van deze twee in onderstaande afbeelding. Het verschil is de polariteit van de basisemitterdiodeovergangen, zoals aangegeven door de richting van de schematische symboolemitterpijl. Het wijst in dezelfde richting als de anodepijl voor een junctiediode, langs de stroom. Zie diodeovergang, figuur vorige. De punt van de pijl en de balk komen respectievelijk overeen met P-type en N-type halfgeleiders. Voor NPN- en PNP-stralers wijst de pijl respectievelijk weg en naar de basis. Er staat geen schematische pijl op de collector. De basis-collectorovergang heeft echter dezelfde polariteit als de basis-emitterovergang vergeleken met een diode. Let op, we spreken van diode, niet voeding, polariteit.

Vergelijk de NPN-transistor bij (a) met de PNP-transistor bij (b). Let op de richting van de zenderpijl en de polariteit van de voeding.

De spanningsbronnen voor PNP-transistors zijn omgekeerd in vergelijking met NPN-transistors zoals weergegeven in het bovenstaande figuur. De basis-emitterovergang moet in beide gevallen voorwaarts zijn voorgespannen. De basis op een PNP-transistor is voorgespannen negatief (b) in vergelijking met positief (a) voor een NPN. In beide gevallen is de basis-collectorovergang omgekeerd voorgespannen. De voeding van de PNP-collector is negatief in vergelijking met positief voor een NPN-transistor.

Bipolaire junctietransistor:(a) dwarsdoorsnede van discrete apparaten, (b) schematisch symbool, (c) dwarsdoorsnede van geïntegreerde schakelingen.

Merk op dat de BJT in figuur hierboven (a) zware doping in de emitter heeft, zoals aangegeven door de N+-notatie. De basis heeft een normaal P-doteringsniveau. De basis is veel dunner dan de niet-op-schaal dwarsdoorsnede laat zien. De collector is licht gedoteerd zoals aangegeven door de N-notatie. De collector moet licht gedoteerd zijn zodat de collector-basisovergang een hoge doorslagspanning zal hebben. Dit vertaalt zich in een hoge toelaatbare collectorvoedingsspanning. Siliciumtransistors met klein signaal hebben een doorslagspanning van 60-80 V. Het kan echter oplopen tot honderden volt voor hoogspanningstransistoren. De collector moet ook zwaar worden gedoteerd om ohmse verliezen te minimaliseren als de transistor hoge stroom moet verwerken. Aan deze tegenstrijdige eisen wordt voldaan door de collector zwaarder te doteren op het metalen contactgebied. De collector nabij de basis is licht gedoteerd in vergelijking met de emitter. De zware dotering in de emitter geeft de emitterbasis een lage doorslagspanning van ongeveer 7 V in kleine signaaltransistoren. De zwaar gedoteerde emitter zorgt ervoor dat de emitter-basisovergang zenerdiode-achtige kenmerken heeft in omgekeerde voorspanning.

De BJT sterven , een stuk van een gesneden en in blokjes gesneden halfgeleiderwafel, is als collector gemonteerd op een metalen behuizing voor vermogenstransistors. Dat wil zeggen, de metalen behuizing is elektrisch verbonden met de collector. Een kleine signaalmatrijs kan in epoxy zijn ingekapseld. In vermogenstransistors verbinden aluminium verbindingsdraden de basis en de emitter met de pakketleidingen. Kleine signaaltransistormatrijzen kunnen direct op de aansluitdraden worden gemonteerd. Meerdere transistors kunnen worden vervaardigd op een enkele chip, een geïntegreerd circuit genoemd . Zelfs de collector kan worden vastgemaakt aan een lood in plaats van aan de behuizing. De geïntegreerde schakeling kan interne bedrading van de transistoren en andere geïntegreerde componenten bevatten. De geïntegreerde BJT getoond in (Figuur (c) hierboven) is veel dunner dan de "niet op schaal" tekening. Het P+-gebied isoleert meerdere transistoren in een enkele chip. Een aluminium metallisatielaag (niet getoond) verbindt meerdere transistoren en andere componenten met elkaar. Het emittergebied is zwaar gedoteerd, N+ vergeleken met de basis en collector om de emitterefficiëntie te verbeteren.

Discrete PNP-transistoren zijn bijna net zo hoogwaardig als de NPN-tegenhanger. Geïntegreerde PNP-transistoren zijn echter lang niet zo goed als de NPN-variëteit binnen dezelfde geïntegreerde schakeling. Geïntegreerde schakelingen gebruiken dus zoveel mogelijk de NPN-variant.

BEOORDELING:

• Bipolaire transistors geleiden stroom met zowel elektronen als gaten in hetzelfde apparaat.
• Voor de werking van een bipolaire transistor als stroomversterker moet de collector-basisovergang in tegengestelde richting en de emitter-basisovergang voorwaarts zijn voorgespannen.
• Een transistor verschilt van een paar back-to-back diodes doordat de basis, de middelste laag, erg dun is. Hierdoor kunnen meerderheidsdragers van de emitter als minderheidsdragers door de basis diffunderen naar het uitputtingsgebied van de basis-collectorovergang, waar het sterke elektrische veld ze verzamelt.
• Efficiëntie van de emitter wordt verbeterd door zwaardere doping in vergelijking met de collector. Zenderefficiëntie:α =I_C /I_E , 0,99 voor kleine signaalapparaten
• Huidige versterking is β=I_C /I_B , 100 tot 300 voor kleine signaaltransistoren.

GERELATEERDE WERKBLAD:

• Bipolaire Junction Transistor (BJT) theorie werkblad