Bipolaire knooppunttransistoren: structuur, werking en versterking

Geschiedenis en oorsprong

De bipolaire knooppunttransistor (BJT) kreeg zijn naam van de gelijktijdige geleiding van elektronen en gaten binnen een enkel kristal. De eerste praktische BJT werd uitgevonden bij Bell Labs door William Shockley, Walter Brattain en John Bardeen in late 1947 en gepubliceerd in 1948. Het trio ontving de Nobelprijs voor Natuurkunde 1956 voor deze doorbraak.

Basismstructuur van een NPN BJT

Een NPN-transistor bestaat uit drie lagen: een zwaar gedopte N-type emitter, een dunne P-type basis en een licht gedopte N-type collector. See het als een tweede laag toegevoegd aan een diode. Het kritische ontwerpelement is de basisdikte – hij moet dun genoeg zijn om de meeste ladragers door te laten diffunderen zonder te hercombineren, maar toch dik genoeg om elektrisch kortsluiten tussen emitter en collector te voorkomen.

BJT-knooppunten en biasing

Elke transistor heeft twee p-n knooppunten: emitter-basis (EB) en basis-collector (BC). In een typische versterkerconfiguratie is de EB-knooppunt voorwaarts-gebiaiseerd terwijl de BC-knooppunt achterwaarts-gebiaiseerd is. De achterwaartse biasing verbreedt de BC-depletiegebied, wat een sterk elektrisch veld creëert dat minderheidsladragers van de basis in de collector zet. De EB-knooppunt vereist een voorwaartse spanning van ongeveer 0,6 V (silicium) om meerderheidsladragers van de emitter in de basis te injecteren als minderheidsladragers.

Figuur 1. (a) NPN-transistor doorsnede. (b) Achterwaarts-gebiaiseerde BC-knooppunt verhoogt depletiebreedte; verwaarloosbare stroom vloeit behalve lekkage.

Stroomversterkingsmechanisme

Wanneer de EB-knooppunt voorwaarts-gebiaiseerd is, treden elektronen van de emitter de P-type basis binnen als minderheidsladragers. De dunne basis laat de meeste van deze elektronen het depletiegebied bij de BC-knooppunt bereiken voordat ze hercombineren. Eenmaal binnen het depletiegebied, trekt het sterke elektrisch veld ze in de collector, wat een grote collectorstroom produceert. De kleine basisstroom die vloeit, controleert de meerderheid van de collectorstroom, wat aanleiding geeft aan de stroomwinst van de transistor.

Figuur 2. Elektronenlot in de basis: (a) hercombinatie met gaten, (b) uitgang via basisleiding, (c) diffusie door basis naar collector, (d) in collector getrokken door BC-veld.

De emitterefficiëntie (α) – de verhouding I_C/I_E – bereikt typisch 0,99 voor kleine-signaal silicium BJTs, wat betekent dat 99% van de geïnjecteerde elektronen de collector bereikt. De stroomwinst (β = I_C/I_B) ligt meestal tussen 100 en 300 voor deze apparaten.

PNP vs NPN Transistoren

Zowel NPN als PNP transistoren werken op hetzelfde principe, maar met tegenovergestelde ladragertypes en biasingrichtingen. De pijl op het emittersymbool geeft de richting van de conventionele stroom aan: weg van de basis voor NPN, naar de basis voor PNP. De basis-collector knooppuntpolariteit is dezelfde als de basis-emitter knooppunt, maar de voedingspolariteiten zijn omgekeerd.

Figuur 3. (a) NPN-transistor schema. (b) PNP-transistor schema.

Apparaatfabricatie en behuizing

Op een halfgeleiderdie is de emitter zwaar gedopt (N⁺), de basis licht gedopt (P), en de collector licht gedopt nabij de basis maar zwaar gedopt aan het metalen contact om de weerstand te verlagen. Kleine-signaal BJTs hebben typischerwijs een collector-basis doorbraakspanning van 60–80 V, terwijl hoogspanningsvarianten diverse honderden volt kunnen overschrijden. In vermogensbehuizingen is de collector vaak gebonden aan het metalen behuizing voor efficiënte warmteafvoer.

Figuur 4. (a) Discrete BJT doorsnede. (b) Schema symbool. (c) Geïntegreerde schakeling doorsnede.

Kernpunten

• BJTs geleiden stroom met behulp van zowel elektronen als gaten.
• Versterking vereist een voorwaarts-gebiaiseerde EB-knooppunt en een achterwaarts-gebiaiseerde BC-knooppunt.
• In tegenstelling tot achterwaarts-aangesloten diodes, is de basis extreem dun, wat ladragersdiffusie naar de collector toestaat.
• Emitterefficiëntie (α) ≈ 0,99 voor kleine-signaal apparaten.
• Stroomwinst (β) varieert van 100 tot 300 in kleine-signaal BJTs.

Gerelateerde werkbladen

• Bipolaire knooppunttransistor (BJT) theorie werkblad