биполярный транзистор
Внутренний ток биполярного транзистора формируется двумя типами носителей, которые управляются током. Полевой транзистор представляет собой устройство, управляемое напряжением. Затвор (G) в основном не потребляет ток, но база транзистора всегда потребляет определенный ток. Поэтому, когда разрешено брать только очень небольшое количество тока из В качестве источника сигнала следует использовать полевой транзистор. Когда допускается определенная величина тока, для усиления можно использовать транзистор, который может получить более высокий коэффициент усиления по напряжению, чем полевой транзистор.
Принцип биполярного транзистора
Хотя диод является полезным устройством, он не может усиливать сигналы, и почти все схемы тем или иным образом требуют усиления сигнала. Одним из устройств, способных усиливать сигналы, является биполярный транзистор (BJT).
На рисунке 1 представлена структурная схема двух биполярных транзисторов. Каждый транзистор имеет три полупроводниковые области: эмиттер, базу и коллектор. База всегда находится между эмиттером и коллектором. Трубка NPN состоит из эмиттера N-типа, базы P-типа и коллектора N-типа. Аналогично, трубка ПНП состоит из эмиттера П-типа, базы Н-типа и коллектора П-типа. На этих схемах каждая область транзистора представляет собой равномерно легированный прямоугольный кусок кремния. Современные биполярные транзисторы немного другие, но принцип работы все тот же.
Условные обозначения двух транзисторов также изображены на рисунке 1. Стрелка на эмиттере показывает направление тока, когда переход эмиттер-база смещен в прямом направлении. Хотя стык между коллектором и основанием тоже есть, на коллекторе нет стрелки. В упрощенном транзисторе, показанном на рисунке 1, переходы эмиттер-база и коллектор-база выглядят одинаково. Похоже, что замена коллектора и эмиттера не оказывает никакого влияния на устройство. Фактически, два перехода имеют разные легирующие свойства и геометрию, поэтому их нельзя поменять местами. Эмиттер от коллектора отличается стрелкой.
Биполярный транзистор можно представить как два PN-перехода, соединенных друг с другом. Базовая область транзистора очень тонкая (примерно 1–12 мкм). Поскольку два перехода расположены очень близко, носители могут диффундировать от одного перехода к другому перед рекомбинацией. Следовательно, проводимость одного узла влияет и на другой узел.
На рисунке 2(А) показан NPN-транзистор со смещением база-эмиттер, равным нулю, и смещением база-коллектор, равным 5 В. Поскольку ни один переход не смещен в прямом направлении, через все три вывода транзистора протекает очень небольшой ток. Транзистор с обоими переходами, смещенными в обратном направлении, называется состоянием отсечки. На рисунке 2(B) в базу подан ток силой 10 микроампер. Этот ток смещает базу-эмиттер в прямом направлении примерно на 0,65 В. В это время, хотя база-коллектор все еще находится в состоянии обратного смещения, через переход база-коллектор протекает ток коллектора, в 100 раз превышающий ток базы. Этот ток является результатом взаимодействия прямосмещенного перехода база-эмиттер и обратносмещенного перехода база-коллектор. Говорят, что транзистор в этом смещенном состоянии находится в прямой активной области. Если эмиттер и коллектор поменяны местами, база-эмиттер смещена в обратном направлении, а база-коллектор смещена в прямом направлении, то говорят, что транзистор находится в обратной активной области. На практике транзисторы редко работают таким образом.
Рисунок 3 объясняет, почему ток коллектора может течь через переход с обратным смещением. Как только база-эмиттер станет смещенным в прямом направлении, носители начнут течь через переход. Большая часть тока, протекающего через этот переход, представляет собой инжекцию электронов из сильнолегированного эмиттера в слаболегированную базу. Большинство электронов диффундируют через узкую область основания, прежде чем рекомбинировать. Поскольку база-коллектор имеет обратное смещение, только несколько основных несущих могут проходить от базы к коллектору. Точно так же это электрическое поле, которое блокирует движение большинства носителей, помогает двигаться меньшинству. В базе электроны являются неосновными носителями, поэтому все они проходят через обратносмещенный переход база-коллектор и попадают в коллектор. В коллекторе они становятся мажоритарными носителями и движутся к ведущему концу коллектора. Поэтому коллекторный ток в основном состоит из электронов, плавно перетекающих от эмиттера к коллектору без рекомбинации на базе.
Часть электронов, инжектированных в базу, не достигает коллектора. Те электроны, которые не дошли до коллектора, рекомбинируют в базе. Рекомбинация базы требует потребления дырками тока, протекающего от вывода базы. Есть также несколько дырок, инжектированных от базы к эмиттеру, но все они быстро рекомбинируются. Эти отверстия являются вторым источником тока на базовом выводе. Эти процессы рекомбинации обычно потребляют не более 1% тока эмиттера, поэтому для поддержания прямого смещения база-эмиттер требуется лишь небольшой ток базы.
Усовершенствованная технология биполярных транзисторов.
Достижения в конструкции и усовершенствования в технологии корпусирования позволили разработать оптимизированные дискретные полупроводниковые устройства, такие как транзисторы с низким напряжением насыщения и выпрямительные диоды Шоттки со сверхнизким прямым падением напряжения. Такие новые устройства могут удовлетворить высокие требования сегодняшних электронных продуктов с точки зрения рассеивания тепла, эффективности, занимаемого пространства и стоимости.Они подходят для систем переключения нагрузки и электропитания в портативном оборудовании с батарейным питанием (например, ноутбуках, цифровых камерах). и автомобили. является предпочтительным решением.
Потребляемая мощность коллектора PC=VCEsat×IC является важным источником потерь биполярных транзисторов. Поскольку ток коллектора IC заранее определяется применением, единственным вариантом снижения потерь транзистора для производителя устройства является уменьшение напряжения насыщения коллектор-эмиттер VCEsat. Появление транзисторов с низким VCEsat связано главным образом с применением технологии эмиттера сетчатой структуры.
Конструкция сетчатого эмиттера расширяет площадь эмиттера до большей площади и в то же время обеспечивает его контакт с основанием в сетчатой структуре, тем самым уменьшая последовательное сопротивление эмиттера. В результате получается более равномерный привод базы, что позволяет более эффективно использовать активную площадь эмиттера на кристалле и, в свою очередь, значительно снижает напряжение насыщения коллектор-эмиттер (см. рисунок 4).
Потери устройства можно дополнительно снизить за счет максимального увеличения площади кристалла в пределах, допускаемых соответствующим пакетом. Рисунок 5 показывает, что разработка и применение новых выводных рамок и 6-контактных корпусов (таких как SOT457) также могут улучшить рассеивание тепла устройства.
Сопоставимая производительность с транзисторами средней мощности
Поскольку на общую стоимость транзистора сильно влияет стоимость упаковки, транзистор в корпусе SOT23 будет стоить значительно дешевле, чем транзистор в более крупном корпусе SOT223.
В традиционных конструкциях транзисторов размер кристалла обычно ограничивается требуемым током коллектора, что ограничивает дальнейшие усилия по миниатюризации. Например, в традиционных конструкциях транзисторы с током коллектора >0,5 А не могут быть помещены в SOT23. С другой стороны, если используется технология эмиттера с сетчатой структурой, теперь можно обеспечить транзисторы с токами коллектора более 2 А в корпусах SOT23. Таким образом, транзисторы с ячеистым эмиттером (SOT23) могут использоваться для замены более крупных корпусных транзисторов SOT223 и обеспечивать эквивалентные или даже лучшие характеристики. Транзисторы BISS PBSS4350T и PBSS4320T и транзистор средней мощности BDP31.
Кривые напряжения насыщения коллектор-эмиттер трех транзисторов показаны на рисунке 6. Когда ток коллектора составляет 1 А, напряжение насыщения сетчатого эмиттерного транзистора примерно на 40–50 % ниже, чем у традиционного транзистора, а ток возбуждения составляет всего 50 мА (IC/IB=20), что ниже 100 мА. (IC/IB=10) также значительно ниже. Транзисторы SOT23 требуют на 20% меньше места на печатной плате, чем корпусные транзисторы SOT223. При установке на керамическую подложку потребляемая мощность транзисторов SOT23 может увеличиться даже до 625 мВт. Поэтому целесообразно заменить 6-контактный транзистор (например, SOT457) с максимальной потребляемой мощностью 600 мВт (площадь радиатора коллектора 1 см2).
Простой пример приложения с переключением нагрузки (переключением на стороне низкого напряжения) может проиллюстрировать преимущества более высокого КПД, меньшего повышения температуры и более высокого доступного выходного напряжения. Напряжение питания VCC составляет 3,3 В, ток нагрузки VLoad=IC=2А. Сравните традиционный транзистор средней мощности BDP31 в корпусе SOT223 и эмиттерный транзистор ячеистой структуры PBSS4320T в корпусе SOT23. Повышение температуры ΔT можно рассчитать, используя общую потребляемую мощность Ptot и температурное сопротивление Rth. Результаты расчета: 128К для BDP31 и 109К для транзистора BISS PBSS4320T (установлен на коллекторную площадку площадью 1см2).
Для многих приложений доступное выходное напряжение VLoad должно быть как можно ближе к напряжению питания (т. е. разница напряжений должна быть как можно меньше). VLoad равна разнице между напряжением питания VCC и напряжением насыщения коллектор-эмиттер VCEsat, которое составляет 2,6 В для BDP31 по сравнению с 3,1 В для ячеистого эмиттерного транзистора PBSS4320T. КПД eta равен соотношению мощности нагрузки PLoad и мощности питания PSupply. Используя стандартный транзистор BDP31, можно получить эффективность схемы только 79%, а при использовании эмиттерного транзистора с ячеистой структурой PBSS4320T эффективность схемы можно увеличить до 94%. В целом, используя транзисторы SOT23 BISS для замены стандартных транзисторов средней мощности более крупного корпуса SOT223, эффективность схемы может быть значительно улучшена, доступное напряжение нагрузки может быть увеличено ближе к полному напряжению источника питания, а также повышение температуры. будет ниже.