Bipolartransistoren

Der Bipolartransistor (BJT) wurde benannt, weil seine Funktion die Leitung durch zwei Ladungsträger beinhaltet:Elektronen und Löcher im selben Kristall. Der erste Bipolartransistor wurde in den Bell Labs von William Shockley, Walter Brattain und John Bardeen so spät im Jahr 1947 erfunden, dass er erst 1948 veröffentlicht wurde. Daher unterscheiden sich viele Texte in Bezug auf das Datum der Erfindung. Brattain hat einen Punktkontakttransistor aus Germanium hergestellt , hat eine gewisse Ähnlichkeit mit einer Punktkontaktdiode. Innerhalb eines Monats hatte Shockley einen praktischeren Übergangstransistor , die wir in den folgenden Absätzen beschreiben. Für den Transistor erhielten sie 1956 den Nobelpreis für Physik.

Der in Abbildung unten (a) gezeigte Bipolartransistor ist ein NPN-Dreischicht-Halbleiter-Sandwich mit einem Emitter und Sammler an den Enden und eine Basis zwischen. Es ist, als ob eine dritte Schicht zu einer zweischichtigen Diode hinzugefügt würde. Wenn dies die einzige Anforderung wäre, hätten wir nicht mehr als ein Paar Back-to-Back-Dioden. Tatsächlich ist es viel einfacher, ein Paar Back-to-Back-Dioden zu bauen. Der Schlüssel zur Herstellung eines Bipolartransistors besteht darin, die mittlere Schicht, die Basis, so dünn wie möglich zu machen, ohne die äußeren Schichten, den Emitter und den Kollektor kurzzuschließen. Wir können die Bedeutung der dünnen Basisregion nicht genug betonen.

BJT-Kreuzungen

Das Gerät in Abbildung unten (a) hat ein Paar von Übergängen, Emitter-Basis und Basis-Kollektor, und zwei Verarmungsbereiche.

(a) Bipolartransistor mit NPN-Übergang. (b) Anlegen einer Sperrspannung an den Kollektor-Basis-Übergang.

Es ist üblich, den Basis-Kollektor-Übergang eines Bipolartransistors in Sperrrichtung vorzuspannen, wie in (Abbildung oben (b) gezeigt. Beachten Sie, dass dies die Breite des Verarmungsbereichs erhöht. Die Sperrspannung kann einige Volt bis mehrere zehn Volt betragen für die meisten Transistoren. Es fließt kein Strom außer Leckstrom im Kollektorkreis.

In Abbildung unten (a) wurde der Emitter-Basis-Schaltung eine Spannungsquelle hinzugefügt. Normalerweise spannen wir den Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vor, wodurch die Potenzialbarriere von 0,6 V überwunden wird. Dies ist ähnlich dem Vorspannen einer Sperrschichtdiode in Vorwärtsrichtung. Diese Spannungsquelle muss 0,6 V überschreiten, damit Majoritätsträger (Elektronen für NPN) vom Emitter in die Basis fließen und zu Minoritätsträgern im P-Halbleiter werden.

Wenn der Basisbereich dick wäre, wie bei einem Paar von Rücken-an-Rücken-Dioden, würde der gesamte Strom, der in die Basis eindringt, aus der Basisleitung fließen. In unserem NPN-Transistorbeispiel würden sich Elektronen, die den Emitter zur Basis verlassen, mit Löchern in der Basis verbinden, wodurch Platz für weitere Löcher am (+) Batteriepol an der Basis geschaffen wird, wenn die Elektronen austreten.

Allerdings ist die Basis dünn gefertigt. Einige Majoritätsträger im Emitter, die als Minoritätsträger in die Basis injiziert wurden, rekombinieren tatsächlich. Siehe Abbildung unten (b). Einige wenige Elektronen, die vom Emitter in die Basis eines NPN-Transistors injiziert werden, fallen in Löcher. Außerdem fließen wenige in die Basis eintretende Elektronen direkt durch die Basis zum Pluspol der Batterie. Der größte Teil des Emitterstroms der Elektronen diffundiert durch die dünne Basis in den Kollektor. Darüber hinaus erzeugt das Modulieren des kleinen Basisstroms eine größere Änderung des Kollektorstroms. Wenn die Basisspannung bei einem Siliziumtransistor unter etwa 0,6 V fällt, fließt der große Emitter-Kollektor-Strom nicht mehr.

Bipolartransistor mit NPN-Übergang und in Sperrrichtung vorgespannter Kollektor-Basis:(a) Das Hinzufügen einer Vorwärtsspannung zum Basis-Emitter-Übergang führt zu (b) einem kleinen Basisstrom und großen Emitter- und Kollektorströmen.

BJT-Stromverstärkung

In der Abbildung unten sehen wir uns den Stromverstärkungsmechanismus genauer an. Wir haben eine vergrößerte Ansicht eines NPN-Übergangstransistors mit Schwerpunkt auf der dünnen Basiszone. Obwohl nicht gezeigt, nehmen wir an, dass externe Spannungsquellen 1) den Emitter-Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung vorspannen, 2) den Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vorspannen. Strom, verlässt den Emitter zum (-) Batteriepol. Der Basisstromfluss entspricht den Strömen, die von der (+) Batterieklemme in die Basisklemme eintreten.

Anordnung der in die Basis eintretenden Elektronen:(a) Verloren durch Rekombination mit Basislöchern. (b) Fließt Basisblei aus. (c) Die meisten diffundieren vom Emitter durch die dünne Basis in die Basis-Kollektor-Verarmungszone und (d) werden schnell durch das starke elektrische Feld der Verarmungszone in den Kollektor gespült.

Majoritätsträger innerhalb des N-Typ-Emitters sind Elektronen, die beim Eintritt in die P-Typ-Basis zu Minoritätsträgern werden. Diese Elektronen sind mit vier möglichen Schicksalen konfrontiert, wenn sie in die dünne P-Basis eintreten. Einige in Abbildung oben (a) fallen in Löcher in der Basis, die zum Basisstromfluss zum (+) Batteriepol beitragen. Nicht gezeigt können Löcher in der Basis in den Emitter diffundieren und sich mit Elektronen verbinden, was zum Basisanschlussstrom beiträgt. Bei (b) fließen nur wenige durch die Basis zum (+) Batteriepol, als ob die Basis ein Widerstand wäre. Sowohl (a) als auch (b) tragen zu dem sehr kleinen Basisstromfluss bei. Der Basisstrom beträgt bei Kleinsignaltransistoren typischerweise 1 % des Emitter- oder Kollektorstroms. Die meisten Emitterelektronen diffundieren direkt durch die dünne Basis (c) in den Basis-Kollektor-Verarmungsbereich. Beachten Sie die Polarität der Verarmungsregion, die das Elektron bei (d) umgibt. Das starke elektrische Feld fegt das Elektron schnell in den Kollektor. Die Feldstärke ist proportional zur Kollektorbatteriespannung. Somit fließen 99% des Emitterstroms in den Kollektor. Es wird durch den Basisstrom gesteuert, der 1% des Emitterstroms beträgt. Dies ist eine potenzielle Stromverstärkung von 99, das Verhältnis von I_C /I_B , auch bekannt als Beta, β.

Diese Magie, die Diffusion von 99% der Emitterträger durch die Basis, ist nur möglich, wenn die Basis sehr dünn ist. Was wäre das Schicksal der Basis-Minoritätsträger in einer 100-mal dickeren Basis? Man würde erwarten, dass die Rekombinationsrate, bei der Elektronen in Löcher fallen, viel höher ist. Vielleicht würden 99% statt 1% in Löcher fallen und nie zum Sammler gelangen. Der zweite Punkt ist, dass der Basisstrom 99% des Emitterstroms nur dann kontrollieren kann, wenn 99% des Emitterstroms in den Kollektor diffundieren. Wenn alles aus der Basis fließt, ist keine Kontrolle möglich.

Ein weiteres Merkmal, das für den Übergang von 99% der Elektronen vom Emitter zum Kollektor verantwortlich ist, besteht darin, dass echte Bipolartransistoren einen kleinen, stark dotierten Emitter verwenden. Die hohe Konzentration an Emitterelektronen zwingt viele Elektronen dazu, in die Basis zu diffundieren. Durch die geringere Dotierungskonzentration in der Basis diffundieren weniger Löcher in den Emitter, was den Basisstrom erhöhen würde. Die Diffusion von Ladungsträgern vom Emitter zur Basis wird stark begünstigt.

Die dünne Basis und der stark dotierte Emitter tragen dazu bei, die Emittereffizienz zu erhalten hoch, zum Beispiel 99%. Dies entspricht einer 100%igen Emitterstromaufteilung zwischen der Basis als 1% und dem Kollektor als 99%. Die Emittereffizienz ist bekannt als α =I_C /I_E .

Arten von BJT

Bipolare Sperrschichttransistoren sind sowohl als PNP- als auch als NPN-Bauelemente erhältlich. Wir präsentieren einen Vergleich dieser beiden in der folgenden Abbildung. Der Unterschied besteht in der Polarität der Basis-Emitter-Dioden-Übergänge, die durch die Richtung des schematischen Symbol-Emitter-Pfeils angezeigt wird. Er zeigt in die gleiche Richtung wie der Anodenpfeil für eine Sperrschichtdiode, entlang des Stromflusses. Siehe Diodenübergang, vorherige Abbildung. Die Spitze des Pfeils und des Balkens entsprechen P-Typ- bzw. N-Typ-Halbleitern. Bei NPN- und PNP-Emittern zeigt der Pfeil weg bzw. zur Basis hin. Auf dem Kollektor befindet sich kein schematischer Pfeil. Der Basis-Kollektor-Übergang hat jedoch im Vergleich zu einer Diode dieselbe Polarität wie der Basis-Emitter-Übergang. Beachten Sie, wir sprechen von Diode, nicht von Stromversorgung, Polarität.

Vergleichen Sie den NPN-Transistor bei (a) mit dem PNP-Transistor bei (b). Beachten Sie die Richtung des Emitterpfeils und die Polarität der Versorgung.

Die Spannungsquellen für PNP-Transistoren sind im Vergleich zu NPN-Transistoren umgekehrt, wie in Abbildung oben gezeigt. Der Basis-Emitter-Übergang muss in beiden Fällen in Durchlassrichtung vorgespannt sein. Die Basis eines PNP-Transistors ist negativ (b) vorgespannt, verglichen mit positiv (a) für einen NPN. In beiden Fällen ist der Basis-Kollektor-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt. Die Stromversorgung des PNP-Kollektors ist negativ im Vergleich zu positiv für einen NPN-Transistor.

Bipolartransistor:(a) Querschnitt der diskreten Vorrichtung, (b) schematisches Symbol, (c) Querschnitt der integrierten Schaltung.

Beachten Sie, dass der BJT in Abbildung oben (a) eine starke Dotierung im Emitter aufweist, wie durch die N+-Notation angezeigt. Die Base hat einen normalen P-Dotierstoffspiegel. Die Basis ist viel dünner als der nicht maßstabsgetreue Querschnitt vermuten lässt. Der Kollektor ist leicht dotiert, wie durch die N-Notation angezeigt. Der Kollektor muss leicht dotiert werden, damit der Kollektor-Basis-Übergang eine hohe Durchbruchspannung hat. Dies führt zu einer hohen zulässigen Kollektorstromversorgungsspannung. Kleinsignal-Siliziumtransistoren haben eine Durchbruchspannung von 60-80 V. Bei Hochspannungstransistoren kann sie jedoch Hunderte von Volt erreichen. Der Kollektor muss auch stark dotiert werden, um ohmsche Verluste zu minimieren, wenn der Transistor hohe Ströme verarbeiten muss. Diesen widersprüchlichen Anforderungen wird durch eine stärkere Dotierung des Kollektors an der metallischen Kontaktfläche Rechnung getragen. Der Kollektor nahe der Basis ist im Vergleich zum Emitter leicht dotiert. Die starke Dotierung im Emitter verleiht der Emitter-Basis eine niedrige Durchbruchspannung von ungefähr 7 V in Kleinsignaltransistoren. Der stark dotierte Emitter verleiht dem Emitter-Basis-Übergang bei Sperrvorspannung zenerdiodenähnliche Eigenschaften.

Die BJT sterben , ein Stück eines in Scheiben geschnittenen und gewürfelten Halbleiterwafers, wird vom Kollektor nach unten auf ein Metallgehäuse für Leistungstransistoren montiert. Das heißt, das Metallgehäuse ist elektrisch mit dem Kollektor verbunden. Ein kleiner Signalchip kann in Epoxidharz eingekapselt sein. In Leistungstransistoren verbinden Aluminium-Bonddrähte die Basis und den Emitter mit den Gehäuseleitungen. Kleinsignaltransistor-Chips können direkt an den Anschlussdrähten montiert werden. Mehrere Transistoren können auf einem einzigen Chip hergestellt werden, der als integrierter Schaltkreis bezeichnet wird . Sogar der Kollektor kann anstelle des Gehäuses mit einer Leitung verbunden werden. Die integrierte Schaltung kann eine interne Verdrahtung der Transistoren und anderer integrierter Komponenten enthalten. Das in (Abbildung (c) oben) gezeigte integrierte BJT ist viel dünner als die „nicht maßstabsgetreue“ Zeichnung. Die P+-Region isoliert mehrere Transistoren in einem einzigen Chip. Eine (nicht gezeigte) Aluminiummetallisierungsschicht verbindet mehrere Transistoren und andere Komponenten. Der Emitterbereich ist stark dotiert, N+ im Vergleich zu Basis und Kollektor, um die Emittereffizienz zu verbessern.

Diskrete PNP-Transistoren sind fast so hochwertig wie das NPN-Pendant. Jedoch sind integrierte PNP-Transistoren nicht annähernd so gut wie die NPN-Variante innerhalb desselben integrierten Schaltungschips. Daher verwenden integrierte Schaltkreise so oft wie möglich die NPN-Variante.

RÜCKBLICK:

• Bipolartransistoren leiten Strom unter Verwendung von Elektronen und Löchern im selben Gerät.
• Der Betrieb eines Bipolartransistors als Stromverstärker erfordert, dass der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung und der Emitter-Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist.
• Ein Transistor unterscheidet sich von einem Paar Back-to-Back-Dioden dadurch, dass die Basis, die Mittelschicht, sehr dünn ist. Dadurch können Majoritätsträger vom Emitter als Minoritätsträger durch die Basis in den Verarmungsbereich des Basis-Kollektor-Übergangs diffundieren, wo sie durch das starke elektrische Feld gesammelt werden.
• Der Wirkungsgrad des Emitters wird durch eine stärkere Dotierung im Vergleich zum Kollektor verbessert. Emitterwirkungsgrad:α =I_C /I_E , 0,99 für Kleinsignalgeräte
• Die Stromverstärkung beträgt β=I_C /I_B , 100 bis 300 für Kleinsignaltransistoren.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zur Theorie des Bipolar-Junction-Transistors (BJT)