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Alles über Bipolar-Junction-Transistoren (BJTs)
2024-03-21
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Der Ursprung der Bipolartransistoren
In modernen Bipolartransistoren hat Silizium Germanium als Substrat ersetzt, und der Punktkontakt wurde durch zwei benachbarte gekoppelte pn-Übergänge ersetzt. Der Aufbau kann als pnp oder npn ausgeführt sein.
Ein Transistor, kurz für „Transferwiderstand“, ist ein Halbleiterbauelement mit mehreren Übergängen. Typischerweise werden Transistoren in andere Schaltungskomponenten integriert und zur Spannungs-, Strom- oder Signalleistungsverstärkung eingesetzt.
Bipolartransistoren, auch Bipolartransistoren (BJTs) genannt, gehören zu den wichtigsten Halbleiterbauelementen und finden breite Anwendung in Hochgeschwindigkeitsschaltungen, analogen Schaltungen, Leistungsverstärkungen und mehr.
Beispielsweise ist ein Halbleiter vom p-Typ wie ein quadratisches Stück Ton, das mit vielen Löchern (sogenannten Elektronenlöchern) gefüllt ist, ähnlich den Höhlen, die man bei Hummern sieht. Ein Halbleiter vom n-Typ ist ebenfalls ein quadratisches Stück Ton, das jedoch mit vielen Hummern (freien Elektronen) gefüllt ist. Wenn wir diese beiden Tonstücke zusammenkleben, kriechen die Hummer zu den Höhlen.
Da die Höhlen in den ersten Reihen bereits nahezu erschöpft sind, bezeichnet die Halbleiterindustrie diesen Bereich als Verarmungsgebiet.
Es ist wie bei einer Tür: Es ist für eine Person einfach, die Tür in eine Richtung aufzudrücken, aber es ist schwierig, wenn man versucht, sie in die entgegengesetzte Richtung aufzudrücken. Natürlich können Sie die Tür mit großer Kraft gewaltsam drücken, bis sie zerbricht, ein Vorgang, den wir als Zusammenbruch der Verbindungsstelle bezeichnen.
Betrachtet man die Strom-Spannungs-Kennlinie eines PN-Übergangs, sieht die Kurve wie im Diagramm unten dargestellt aus.
Wenn an einen PN-Übergang eine umgekehrte Vorspannung angelegt wird, ist das, als würde man den Hummern Teleskope in den Schlamm geben. Die Hummer können weiter sehen und aufgeregter kriechen, was dazu führt, dass mehr Hummer Höhlen finden. Folglich nimmt die Gesamtbewegung der Hummer zu und die Breite des Verarmungsbereichs des Halbleiters vergrößert sich.
Das folgende Diagramm zeigt eine perspektivische Ansicht eines pnp-Bipolartransistors. Der Herstellungsprozess umfasst die Verwendung eines p-Typ-Halbleiters als Substrat und die Nutzung des Prinzips der thermischen Diffusion, um einen n-Typ-Bereich auf dem p-Typ-Substrat zu erzeugen. Anschließend wird auf diesem n-Typ-Bereich durch thermische Diffusion ein p+-Typ-Bereich hoher Konzentration gebildet. Schließlich wird Metall verwendet, um die p+-, n- und darunter liegenden p-Typ-Regionen abzudecken und so ohmsche Kontakte zu bilden.
Der dazwischenliegende schmale n-Typ-Bereich mit einer moderaten Verunreinigungskonzentration wird Basis genannt (bezeichnet mit B), und die Breite des Basisbereichs muss viel kleiner sein als die Diffusionslänge der Minoritätsträger;
Der Bereich mit der niedrigsten p-Typ-Konzentration wird als Kollektor bezeichnet (bezeichnet mit C). Unter der Annahme einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung innerhalb jedes Bereichs kann das Konzept des pn-Übergangs direkt auf die Übergänge innerhalb des Transistors angewendet werden.
Das Ersetzen der p-Typ-Regionen durch n-Typ-Regionen und des n-Typ-Bereichs durch einen p-Typ-Bereich in der Struktur eines pnp-Bipolartransistors ergibt die Struktur eines npn-Bipolartransistors. Daher kehren sich auch die Stromrichtung und die Spannungspolarität um.
Das Diagramm (a) zeigt den idealen pnp-Bipolartransistor im thermischen Gleichgewicht, wobei seine drei Anschlüsse miteinander oder alle mit Masse verbunden sind, wobei die schattierten Bereiche die Verarmungsbereiche der beiden pn-Übergänge darstellen.
Diagramm (b) zeigt die Störstellenkonzentrationen in den drei dotierten Regionen, wobei die Emitterregion eine viel höhere Dotierungskonzentration aufweist als die Kollektorregion und die Basisregion eine Konzentration aufweist, die niedriger als die des Emitters, aber höher als die des Kollektors ist.
Diagramm (c) zeigt die elektrische Feldverteilung in der Verarmungsregion.
Diagramm (d) zeigt das Energiebanddiagramm des Transistors, das den thermischen Gleichgewichtszustand der pn-Übergänge erweitert und auf die beiden benachbarten gekoppelten p+-n-Übergänge und den n-p-Übergang anwendet.
Diagramm (a) zeigt den Transistor, der als Verstärker mit gemeinsamer Basiskonfiguration angeschlossen ist, wobei die Basis von den Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen gemeinsam genutzt wird.
Die Diagramme (b) und (c) veranschaulichen die Ladungsdichte und die Verteilung des elektrischen Feldes unter Vorspannungsbedingungen im Vergleich zum im vorherigen Diagramm dargestellten thermischen Gleichgewichtszustand. Die Breite des Verarmungsbereichs am Emitter-Basis-Übergang wird schmaler, während sich der Verarmungsbereich am Kollektor-Basis-Übergang verbreitert.
Diagramm (d) zeigt das Energiebanddiagramm des Transistors im Verstärkungsmodus. Der Emitter-Basis-Übergang ist in Durchlassrichtung vorgespannt, wodurch Löcher aus dem p+-Emitterbereich in den Basisbereich injiziert werden und Elektronen aus dem Basisbereich in den Emitterbereich injiziert werden.
Andererseits ist der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt, sodass ein umgekehrter Sättigungsstrom fließen kann. Wenn der Basisbereich schmal genug ist, können die vom Emitterbereich in den Basisbereich injizierten Löcher durch den Basisbereich diffundieren und den Rand des Kollektor-Basis-Verarmungsbereichs erreichen, wo sie schließlich unter der Vorspannung des Kollektors durch den Kollektorbereich fließen. Basisverbindung.
Dieser Transportmechanismus führt zu den Bezeichnungen „Emitter“ für die Injektion von Ladungsträgern und „Kollektor“ für das Sammeln von Ladungsträgern, die vom benachbarten Übergang injiziert werden.
Wenn die meisten injizierten Löcher nicht mit Elektronen im Basisbereich rekombinieren, sondern den Kollektor erreichen, wird der durch Löcher verursachte Kollektorstrom nahezu dem Emitter-Lochstrom entsprechen.
Es ist offensichtlich, dass die vom benachbarten Emitter-Basis-Übergang injizierten Löcher einen erheblichen Strom im in Sperrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Übergang erzeugen können, was zum Verstärkungseffekt des Transistors führt, der nur auftritt, wenn diese beiden Übergänge ausreichend nahe beieinander liegen. Daher werden sie als interagierende pn-Übergänge bezeichnet.
Wenn diese beiden pn-Übergänge hingegen zu weit voneinander entfernt sind, rekombinieren alle eingehenden Löcher mit Elektronen im Basisbereich und erreichen den Kollektorbereich nicht, sodass der Transistor keinen Verstärkungseffekt hat. In diesem Fall fungiert die pnp-Struktur einfach als zwei gegeneinander geschaltete pn-Dioden.
Stromverstärkung: Das folgende Diagramm veranschaulicht die verschiedenen Stromkomponenten in einem idealen PNP-Transistor, der im Verstärkungsmodus arbeitet. Unter der Annahme, dass im Verarmungsbereich kein Erzeugungs-Rekombinationsstrom vorhanden ist, bilden die aus dem Emitterbereich injizierten Löcher die vorherrschende Stromkomponente IEp.
An der Basis gibt es drei Ströme: IBB, IEn und ICn.
IBB stellt den Strom der von der Basis gelieferten Elektronen dar, die mit den einfallenden Löchern rekombinieren (dh IBB = IEp – ICp); IEn stellt den Strom von Elektronen dar, die von der Basisregion in die Emitterregion injiziert werden. Dabei handelt es sich um eine unerwünschte Stromkomponente, die durch starke Dotierung des Emitters oder die Verwendung von Heteroübergängen reduziert werden kann; ICn stellt den Elektronenstrom dar, der aufgrund thermischer Effekte in der Nähe des Kollektorübergangs erzeugt wird und vom Kollektorbereich zum Basisbereich fließt.
Betriebsarten: Abhängig von den Vorspannungen an der Emitter-Basis-Verbindung und der Kollektor-Basis-Verbindung verfügen Bipolartransistoren über vier Betriebsarten.
Das folgende Diagramm veranschaulicht die vier Betriebsmodi eines PNP-Transistors und ihre Beziehungen zu VEB und VCB. Die Verteilung der Minderheitsträger in den einzelnen Betriebsmodi ist ebenfalls im Diagramm dargestellt.
Beispielsweise ist im Verstärkungsmodus der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt und der Kollektor-Basis-Übergang in Rückwärtsrichtung.
Im Sättigungsmodus sind beide Übergänge des Transistors in Durchlassrichtung vorgespannt, was zum Vorhandensein von Minoritätsladungsträgern in den Verarmungsbereichen beider Übergänge führt.
Im Sättigungsmodus kann eine kleine Spannung zu einem großen Ausgangsstrom führen, wodurch der Transistor in einen leitenden Zustand versetzt wird, ähnlich einem Kurzschluss.
Im Abschaltmodus sind beide Anschlüsse des Transistors in Sperrrichtung vorgespannt, was zu den Randbedingungen pn(0) = pn(W) = 0 führt. Der Transistor im Abschaltmodus kann als Schalter in der offenen (oder ausgeschalteten) Position betrachtet werden .
Im invertierten Modus ist der Emitter-Basis-Übergang in Sperrrichtung und der Kollektor-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt. In diesem Modus fungiert die Kollektorelektrode als Emitter und umgekehrt. Allerdings ist die Stromverstärkung im invertierten Modus aufgrund der geringeren Dotierungskonzentration im Kollektorbereich im Vergleich zum Basisbereich typischerweise kleiner als im Verstärkungsmodus, was zu einer geringeren „Emissionseffizienz“ führt.
Schaltvorgang: In digitalen Schaltungen fungieren Transistoren hauptsächlich als Schalter. Durch die Verwendung eines kleinen Basisstroms kann der Kollektorstrom in sehr kurzer Zeit schnell von Aus auf Ein (und umgekehrt) geändert werden. Im ausgeschalteten Zustand liegt eine hohe Spannung und ein niedriger Strom vor, während im eingeschalteten Zustand eine niedrige Spannung und ein hoher Strom vorliegen.
Heteroübergangs-Bipolartransistoren (HBTs)
Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) sind Transistoren, bei denen eine oder beide Verbindungen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen.
Der Hauptvorteil von HBTs ist ihre hohe Emissionseffizienz und sie werden ähnlich wie Bipolartransistoren eingesetzt. HBTs haben jedoch eine höhere Geschwindigkeit und können bei höheren Frequenzen arbeiten. Aufgrund dieser Eigenschaften werden HBTs häufig in Optoelektronik-, Mikrowellen- und digitalen Anwendungen eingesetzt. In Mikrowellenanwendungen werden HBTs üblicherweise zur Herstellung von Festkörper-Mikrowellen- und Millimeterwellen-Leistungsverstärkern, Oszillatoren und Mischern verwendet.
Grundlegende HBT-Struktur: Die meisten HBT-Technologien werden im AlxGa1-xAs/GaAs-Materialsystem entwickelt. Die grundlegende npn-HBT-Struktur besteht aus einer AlxGa1-xAs-Schicht mit breiter Bandlücke im n-Typ-Emitterbereich, einer schmaleren Bandlücken-GaAs-Schicht im p-Typ-Basisbereich sowie n-Typ-Kollektor- und Subkollektorbereichen aus leicht dotiertem und stark dotiertem Material GaAs bzw.
Fortgeschrittene HBTs: In den letzten Jahren wurden Materialien aus der InP-Reihe (wie InP/InGaAs oder AlInAs/InGaAs) systematisch erforscht, und InP-basierte Heterostrukturen bieten zahlreiche Vorteile. Die InP/InGaAs-Struktur weist eine extrem geringe Oberflächenrekombination auf und die Elektronenmobilität von InGaAs ist viel höher als die von GaAs, was zu einer hervorragenden Hochfrequenzleistung führt.
Die folgende Grafik zeigt die charakteristische Kurve eines typischen HBT auf Indiumphosphidbasis mit einer Grenzfrequenz von bis zu 254 GHz. Darüber hinaus zeigt InP unter starken elektrischen Feldern eine höhere Driftgeschwindigkeit als GaAs und weist auch eine höhere Durchbruchspannung auf.
Die geringe Dichte der Silizium-Schnittstellenfallen trägt dazu bei, den Oberflächenrekombinationsstrom zu reduzieren und sorgt so für eine hohe Stromverstärkung auch bei niedrigen Kollektorströmen. Darüber hinaus ist die Kompatibilität mit der Standard-Siliziumverarbeitungstechnologie ein weiteres äußerst attraktives Merkmal.
Das Diagramm in (a) zeigt eine typische Si/SiGe-HBT-Struktur, während (b) den Kollektorstrom des Si/SiGe-HBT mit dem eines Silizium-Homojunction-Bipolartransistors vergleicht und zeigt, dass der Si/SiGe-HBT eine höhere Stromverstärkung aufweist. Im Vergleich zu HBTs auf Galliumarsenid- und Indiumphosphidbasis ist das Si/SiGe
HBT hat aufgrund der geringeren Trägermobilität von Silizium eine niedrigere Grenzfrequenz.
Grundlegende Eigenschaften: Das folgende Diagramm zeigt den Querschnitt eines Thyristorbauelements. Dieses besteht aus einer vierschichtigen pnpn-Struktur, die aus drei in Reihe geschalteten pn-Übergängen (J1, J2 und J3) besteht. Die äußerste p-Schicht, die mit der Kontaktelektrode verbunden ist, wird als Anode bezeichnet, die n-Schicht auf der anderen Seite als Kathode. Diese Struktur ohne zusätzliche Elektroden stellt ein Zweipolbauelement dar und wird als pnpn-Diode bezeichnet.
Diagramm (c) zeigt das Energiebanddiagramm des Thyristorbauelements im thermischen Gleichgewicht. Jeder Übergang verfügt über eine Verarmungsschicht und das eingebaute Potenzial wird durch die Dotierungskonzentration bestimmt.
Wenn der Gate-Stromimpuls kurz vor Beginn jedes Zyklus angelegt wird, wird mehr Leistung an die Last übertragen. Umgekehrt führt eine Verzögerung des Gate-Stromimpulses dazu, dass die an die Last gelieferte Leistung deutlich reduziert wird, wenn das Thyristorbauelement gegen Ende des Zyklus leitet.
Der Bipolartransistor wurde 1947 von einem Forschungsteam der Bell Laboratories erfunden. Der erste Transistor bestand aus zwei Metalldrähten mit scharfen Enden, die punktuellen Kontakt mit einem Germaniumsubstrat herstellten. Obwohl dieser erste Transistor nach heutigen Maßstäben primitiv war, veränderte er die gesamte Elektronikindustrie und die Lebensweise der Menschheit erheblich.
In modernen Bipolartransistoren hat Silizium Germanium als Substrat ersetzt, und der Punktkontakt wurde durch zwei benachbarte gekoppelte pn-Übergänge ersetzt. Der Aufbau kann als pnp oder npn ausgeführt sein.
Ein Transistor, kurz für „Transferwiderstand“, ist ein Halbleiterbauelement mit mehreren Übergängen. Typischerweise werden Transistoren in andere Schaltungskomponenten integriert und zur Spannungs-, Strom- oder Signalleistungsverstärkung eingesetzt.
Bipolartransistoren, auch Bipolartransistoren (BJTs) genannt, gehören zu den wichtigsten Halbleiterbauelementen und finden breite Anwendung in Hochgeschwindigkeitsschaltungen, analogen Schaltungen, Leistungsverstärkungen und mehr.
Was ist ein PN-Anschluss?
Es handelt sich um einen Übergang, der durch den Kontakt zwischen einem Halbleiter vom p-Typ und einem Halbleiter vom n-Typ gebildet wird.
Beispielsweise ist ein Halbleiter vom p-Typ wie ein quadratisches Stück Ton, das mit vielen Löchern (sogenannten Elektronenlöchern) gefüllt ist, ähnlich den Höhlen, die man bei Hummern sieht. Ein Halbleiter vom n-Typ ist ebenfalls ein quadratisches Stück Ton, das jedoch mit vielen Hummern (freien Elektronen) gefüllt ist. Wenn wir diese beiden Tonstücke zusammenkleben, kriechen die Hummer zu den Höhlen.
Die vordersten Hummer sind die ersten, die die Höhlen in der ersten Reihe finden. Sobald die Hummer in der ersten Reihe in die Höhlen gekrochen sind, müssen die Hummer hinter ihnen weiter klettern und haben größere Schwierigkeiten, Höhlen zu finden.
Da die Höhlen in den ersten Reihen bereits nahezu erschöpft sind, bezeichnet die Halbleiterindustrie diesen Bereich als Verarmungsgebiet.
Der PN-Übergang verfügt über eine Eigenschaft namens Gleichrichtung, die den Stromfluss nur in eine Richtung ermöglicht.
Es ist wie bei einer Tür: Es ist für eine Person einfach, die Tür in eine Richtung aufzudrücken, aber es ist schwierig, wenn man versucht, sie in die entgegengesetzte Richtung aufzudrücken. Natürlich können Sie die Tür mit großer Kraft gewaltsam drücken, bis sie zerbricht, ein Vorgang, den wir als Zusammenbruch der Verbindungsstelle bezeichnen.
Betrachtet man die Strom-Spannungs-Kennlinie eines PN-Übergangs, sieht die Kurve wie im Diagramm unten dargestellt aus.
Wenn an einen PN-Übergang eine Vorwärtsspannung angelegt wird, ist das so, als würde man den Hummern im Schlamm die Augen verbinden. Die Hummer werden kurzsichtig und können nur noch die Höhlen in der ersten Reihe sehen. Dadurch nimmt die Gesamtbewegung der Hummer ab, und auch die Zahl der Hummer, die zu den Höhlen kriechen, nimmt ab, wodurch sich die Breite der Verarmungsregion verringert.
Wenn an einen PN-Übergang eine umgekehrte Vorspannung angelegt wird, ist das, als würde man den Hummern Teleskope in den Schlamm geben. Die Hummer können weiter sehen und aufgeregter kriechen, was dazu führt, dass mehr Hummer Höhlen finden. Folglich nimmt die Gesamtbewegung der Hummer zu und die Breite des Verarmungsbereichs des Halbleiters vergrößert sich.
In der Abbildung unten stellt (a) die normale Breite des Verarmungsbereichs in einem PN-Übergang dar, (b) zeigt die Breite nach Anlegen einer Vorspannung in Durchlassrichtung und (c) zeigt die Breite nach Anlegen einer Vorspannung in Rückwärtsrichtung.
Der Aufbau eines Bipolartransistors:
Das folgende Diagramm zeigt eine perspektivische Ansicht eines pnp-Bipolartransistors. Der Herstellungsprozess umfasst die Verwendung eines p-Typ-Halbleiters als Substrat und die Nutzung des Prinzips der thermischen Diffusion, um einen n-Typ-Bereich auf dem p-Typ-Substrat zu erzeugen. Anschließend wird auf diesem n-Typ-Bereich durch thermische Diffusion ein p+-Typ-Bereich hoher Konzentration gebildet. Schließlich wird Metall verwendet, um die p+-, n- und darunter liegenden p-Typ-Regionen abzudecken und so ohmsche Kontakte zu bilden.
Der pnp-Bipolartransistor besteht aus drei Bereichen mit unterschiedlichen Dotierungskonzentrationen, die zwei pn-Übergänge bilden. Der p+-Bereich mit der höchsten Konzentration wird Emitter genannt (bezeichnet mit E);
Der dazwischenliegende schmale n-Typ-Bereich mit einer moderaten Verunreinigungskonzentration wird Basis genannt (bezeichnet mit B), und die Breite des Basisbereichs muss viel kleiner sein als die Diffusionslänge der Minoritätsträger;
Der Bereich mit der niedrigsten p-Typ-Konzentration wird als Kollektor bezeichnet (bezeichnet mit C). Unter der Annahme einer gleichmäßigen Konzentrationsverteilung innerhalb jedes Bereichs kann das Konzept des pn-Übergangs direkt auf die Übergänge innerhalb des Transistors angewendet werden.
Das folgende Diagramm zeigt das Schaltsymbol eines pnp-Bipolartransistors mit Angabe der verschiedenen Stromkomponenten und Spannungspolaritäten. Die Pfeile und die Symbole „+“ und „–“ repräsentieren die Richtungen der Ströme und die Polaritäten der Spannungen im allgemeinen Arbeitsmodus (dh Verstärkungsmodus, Aktivmodus) des Transistors. In diesem Modus ist der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt (VEB > 0), während der Kollektor-Basis-Übergang in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist (VCB < 0). Entsprechend
Kirchhoffs Schaltungsgesetz besagt, dass es für dieses Gerät mit drei Anschlüssen nur zwei unabhängige Ströme gibt; Wenn zwei beliebige Ströme bekannt sind, kann der Strom an der dritten Klemme bestimmt werden.
Kirchhoffs Schaltungsgesetz besagt, dass es für dieses Gerät mit drei Anschlüssen nur zwei unabhängige Ströme gibt; Wenn zwei beliebige Ströme bekannt sind, kann der Strom an der dritten Klemme bestimmt werden.
Der Aufbau und das Schaltsymbol eines NPN-Bipolartransistors sind komplementär zu denen eines PNP-Bipolartransistors. Das folgende Diagramm zeigt den idealen Aufbau und das Schaltsymbol eines PNP-Transistors.
Das Ersetzen der p-Typ-Regionen durch n-Typ-Regionen und des n-Typ-Bereichs durch einen p-Typ-Bereich in der Struktur eines pnp-Bipolartransistors ergibt die Struktur eines npn-Bipolartransistors. Daher kehren sich auch die Stromrichtung und die Spannungspolarität um.
Wenn man den pnp-Transistor versteht, kann man den npn-Transistor durch einfaches Vertauschen der Polarität und Dotierungstypen beschreiben.
IV. Bipolartransistor-Verstärkungsmodus
Das Diagramm (a) zeigt den idealen pnp-Bipolartransistor im thermischen Gleichgewicht, wobei seine drei Anschlüsse miteinander oder alle mit Masse verbunden sind, wobei die schattierten Bereiche die Verarmungsbereiche der beiden pn-Übergänge darstellen.
Diagramm (b) zeigt die Störstellenkonzentrationen in den drei dotierten Regionen, wobei die Emitterregion eine viel höhere Dotierungskonzentration aufweist als die Kollektorregion und die Basisregion eine Konzentration aufweist, die niedriger als die des Emitters, aber höher als die des Kollektors ist.
Diagramm (c) zeigt die elektrische Feldverteilung in der Verarmungsregion.
Diagramm (d) zeigt das Energiebanddiagramm des Transistors, das den thermischen Gleichgewichtszustand der pn-Übergänge erweitert und auf die beiden benachbarten gekoppelten p+-n-Übergänge und den n-p-Übergang anwendet.
Das folgende Diagramm entspricht dem Transistor, der im Verstärkungsmodus arbeitet, wie in der vorherigen Abbildung dargestellt.
Diagramm (a) zeigt den Transistor, der als Verstärker mit gemeinsamer Basiskonfiguration angeschlossen ist, wobei die Basis von den Eingangs- und Ausgangsschaltkreisen gemeinsam genutzt wird.
Die Diagramme (b) und (c) veranschaulichen die Ladungsdichte und die Verteilung des elektrischen Feldes unter Vorspannungsbedingungen im Vergleich zum im vorherigen Diagramm dargestellten thermischen Gleichgewichtszustand. Die Breite des Verarmungsbereichs am Emitter-Basis-Übergang wird schmaler, während sich der Verarmungsbereich am Kollektor-Basis-Übergang verbreitert.
Diagramm (d) zeigt das Energiebanddiagramm des Transistors im Verstärkungsmodus. Der Emitter-Basis-Übergang ist in Durchlassrichtung vorgespannt, wodurch Löcher aus dem p+-Emitterbereich in den Basisbereich injiziert werden und Elektronen aus dem Basisbereich in den Emitterbereich injiziert werden.
In einer idealen Diode gibt es in der Verarmungszone keinen Generations-Rekombinationsstrom, sodass die vom Emitterbereich in den Basisbereich injizierten Löcher und die vom Basisbereich in den Emitterbereich injizierten Elektronen den Emitterstrom bilden.
Andererseits ist der Kollektor-Basis-Übergang in Sperrrichtung vorgespannt, sodass ein umgekehrter Sättigungsstrom fließen kann. Wenn der Basisbereich schmal genug ist, können die vom Emitterbereich in den Basisbereich injizierten Löcher durch den Basisbereich diffundieren und den Rand des Kollektor-Basis-Verarmungsbereichs erreichen, wo sie schließlich unter der Vorspannung des Kollektors durch den Kollektorbereich fließen. Basisverbindung.
Dieser Transportmechanismus führt zu den Bezeichnungen „Emitter“ für die Injektion von Ladungsträgern und „Kollektor“ für das Sammeln von Ladungsträgern, die vom benachbarten Übergang injiziert werden.
Wenn die meisten injizierten Löcher nicht mit Elektronen im Basisbereich rekombinieren, sondern den Kollektor erreichen, wird der durch Löcher verursachte Kollektorstrom nahezu dem Emitter-Lochstrom entsprechen.
Es ist offensichtlich, dass die vom benachbarten Emitter-Basis-Übergang injizierten Löcher einen erheblichen Strom im in Sperrichtung vorgespannten Kollektor-Basis-Übergang erzeugen können, was zum Verstärkungseffekt des Transistors führt, der nur auftritt, wenn diese beiden Übergänge ausreichend nahe beieinander liegen. Daher werden sie als interagierende pn-Übergänge bezeichnet.
Wenn diese beiden pn-Übergänge hingegen zu weit voneinander entfernt sind, rekombinieren alle eingehenden Löcher mit Elektronen im Basisbereich und erreichen den Kollektorbereich nicht, sodass der Transistor keinen Verstärkungseffekt hat. In diesem Fall fungiert die pnp-Struktur einfach als zwei gegeneinander geschaltete pn-Dioden.
Stromverstärkung: Das folgende Diagramm veranschaulicht die verschiedenen Stromkomponenten in einem idealen PNP-Transistor, der im Verstärkungsmodus arbeitet. Unter der Annahme, dass im Verarmungsbereich kein Erzeugungs-Rekombinationsstrom vorhanden ist, bilden die aus dem Emitterbereich injizierten Löcher die vorherrschende Stromkomponente IEp.
Die meisten einfallenden Löcher erreichen die Kollektorelektrode und bilden ICp.
An der Basis gibt es drei Ströme: IBB, IEn und ICn.
IBB stellt den Strom der von der Basis gelieferten Elektronen dar, die mit den einfallenden Löchern rekombinieren (dh IBB = IEp – ICp); IEn stellt den Strom von Elektronen dar, die von der Basisregion in die Emitterregion injiziert werden. Dabei handelt es sich um eine unerwünschte Stromkomponente, die durch starke Dotierung des Emitters oder die Verwendung von Heteroübergängen reduziert werden kann; ICn stellt den Elektronenstrom dar, der aufgrund thermischer Effekte in der Nähe des Kollektorübergangs erzeugt wird und vom Kollektorbereich zum Basisbereich fließt.
Betriebsarten: Abhängig von den Vorspannungen an der Emitter-Basis-Verbindung und der Kollektor-Basis-Verbindung verfügen Bipolartransistoren über vier Betriebsarten.
Das folgende Diagramm veranschaulicht die vier Betriebsmodi eines PNP-Transistors und ihre Beziehungen zu VEB und VCB. Die Verteilung der Minderheitsträger in den einzelnen Betriebsmodi ist ebenfalls im Diagramm dargestellt.
Beispielsweise ist im Verstärkungsmodus der Emitter-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt und der Kollektor-Basis-Übergang in Rückwärtsrichtung.
Im Sättigungsmodus sind beide Übergänge des Transistors in Durchlassrichtung vorgespannt, was zum Vorhandensein von Minoritätsladungsträgern in den Verarmungsbereichen beider Übergänge führt.
Im Sättigungsmodus kann eine kleine Spannung zu einem großen Ausgangsstrom führen, wodurch der Transistor in einen leitenden Zustand versetzt wird, ähnlich einem Kurzschluss.
Im Abschaltmodus sind beide Anschlüsse des Transistors in Sperrrichtung vorgespannt, was zu den Randbedingungen pn(0) = pn(W) = 0 führt. Der Transistor im Abschaltmodus kann als Schalter in der offenen (oder ausgeschalteten) Position betrachtet werden .
Im invertierten Modus ist der Emitter-Basis-Übergang in Sperrrichtung und der Kollektor-Basis-Übergang in Durchlassrichtung vorgespannt. In diesem Modus fungiert die Kollektorelektrode als Emitter und umgekehrt. Allerdings ist die Stromverstärkung im invertierten Modus aufgrund der geringeren Dotierungskonzentration im Kollektorbereich im Vergleich zum Basisbereich typischerweise kleiner als im Verstärkungsmodus, was zu einer geringeren „Emissionseffizienz“ führt.
Schaltvorgang: In digitalen Schaltungen fungieren Transistoren hauptsächlich als Schalter. Durch die Verwendung eines kleinen Basisstroms kann der Kollektorstrom in sehr kurzer Zeit schnell von Aus auf Ein (und umgekehrt) geändert werden. Im ausgeschalteten Zustand liegt eine hohe Spannung und ein niedriger Strom vor, während im eingeschalteten Zustand eine niedrige Spannung und ein hoher Strom vorliegen.
Heteroübergangs-Bipolartransistoren (HBTs)
Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) sind Transistoren, bei denen eine oder beide Verbindungen aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen.
Der Hauptvorteil von HBTs ist ihre hohe Emissionseffizienz und sie werden ähnlich wie Bipolartransistoren eingesetzt. HBTs haben jedoch eine höhere Geschwindigkeit und können bei höheren Frequenzen arbeiten. Aufgrund dieser Eigenschaften werden HBTs häufig in Optoelektronik-, Mikrowellen- und digitalen Anwendungen eingesetzt. In Mikrowellenanwendungen werden HBTs üblicherweise zur Herstellung von Festkörper-Mikrowellen- und Millimeterwellen-Leistungsverstärkern, Oszillatoren und Mischern verwendet.
Grundlegende HBT-Struktur: Die meisten HBT-Technologien werden im AlxGa1-xAs/GaAs-Materialsystem entwickelt. Die grundlegende npn-HBT-Struktur besteht aus einer AlxGa1-xAs-Schicht mit breiter Bandlücke im n-Typ-Emitterbereich, einer schmaleren Bandlücken-GaAs-Schicht im p-Typ-Basisbereich sowie n-Typ-Kollektor- und Subkollektorbereichen aus leicht dotiertem und stark dotiertem Material GaAs bzw.
Um einen ohmschen Kontakt zu bilden, wird zwischen dem Emitterkontakt und der Aluminium-Galliumarsenidschicht eine hochdotierte Galliumarsenidschicht vom n-Typ hinzugefügt. Aufgrund des erheblichen Unterschieds in der Bandlückenbreite zwischen Emitter- und Basisbereich kann die Stromverstärkung im gemeinsamen Emitter erheblich erhöht werden. Im Gegensatz dazu weisen Bipolartransistoren mit Homoübergang keinen solchen Unterschied in der Bandlückenbreite auf, und daher muss das Dotierungskonzentrationsverhältnis zwischen den Emitter- und Basisbereichen erheblich erhöht werden. Dieser grundlegende Unterschied unterscheidet Homojunction- und Heterojunction-Bipolartransistoren.
Fortgeschrittene HBTs: In den letzten Jahren wurden Materialien aus der InP-Reihe (wie InP/InGaAs oder AlInAs/InGaAs) systematisch erforscht, und InP-basierte Heterostrukturen bieten zahlreiche Vorteile. Die InP/InGaAs-Struktur weist eine extrem geringe Oberflächenrekombination auf und die Elektronenmobilität von InGaAs ist viel höher als die von GaAs, was zu einer hervorragenden Hochfrequenzleistung führt.
Die folgende Grafik zeigt die charakteristische Kurve eines typischen HBT auf Indiumphosphidbasis mit einer Grenzfrequenz von bis zu 254 GHz. Darüber hinaus zeigt InP unter starken elektrischen Feldern eine höhere Driftgeschwindigkeit als GaAs und weist auch eine höhere Durchbruchspannung auf.
Eine weitere Art von Heteroübergang ist das Si/SiGe-Materialsystem, das mehrere attraktive Eigenschaften für HBT-Anwendungen bietet. Ähnlich wie der AlGaAs/GaAs-HBT profitiert auch der Si/SiGe-HBT aufgrund der unterschiedlichen Bandlückenbreite von der Fähigkeit, stark zu dotieren, was zu einer Hochgeschwindigkeitsleistung führt.
Die geringe Dichte der Silizium-Schnittstellenfallen trägt dazu bei, den Oberflächenrekombinationsstrom zu reduzieren und sorgt so für eine hohe Stromverstärkung auch bei niedrigen Kollektorströmen. Darüber hinaus ist die Kompatibilität mit der Standard-Siliziumverarbeitungstechnologie ein weiteres äußerst attraktives Merkmal.
Das Diagramm in (a) zeigt eine typische Si/SiGe-HBT-Struktur, während (b) den Kollektorstrom des Si/SiGe-HBT mit dem eines Silizium-Homojunction-Bipolartransistors vergleicht und zeigt, dass der Si/SiGe-HBT eine höhere Stromverstärkung aufweist. Im Vergleich zu HBTs auf Galliumarsenid- und Indiumphosphidbasis ist das Si/SiGe
HBT hat aufgrund der geringeren Trägermobilität von Silizium eine niedrigere Grenzfrequenz.
Abschnitt VI: Thyristorgeräte und zugehörige Leistungsgeräte
Thyristorgeräte sind wichtige Leistungskomponenten, die hohe Spannungen und hohe Ströme steuern können und so den Übergang des Geräts von einem geschlossenen oder gesperrten Zustand in einen offenen oder leitenden Zustand und umgekehrt ermöglichen. Ihre Funktionsweise ist eng mit der von Bipolartransistoren verwandt, da sie sowohl Elektronen als auch Löcher leiten.
Ihr Schaltmechanismus und ihre Struktur unterscheiden sich jedoch von bipolaren Transistoren und bieten ein breites Spektrum an Strom- und Spannungssteuerungsmöglichkeiten. Der Nennstrom kann von einigen Milliampere bis über 5000 A reichen, bei einer Nennspannung von über 10,000 V.
Ihr Schaltmechanismus und ihre Struktur unterscheiden sich jedoch von bipolaren Transistoren und bieten ein breites Spektrum an Strom- und Spannungssteuerungsmöglichkeiten. Der Nennstrom kann von einigen Milliampere bis über 5000 A reichen, bei einer Nennspannung von über 10,000 V.
Grundlegende Eigenschaften: Das folgende Diagramm zeigt den Querschnitt eines Thyristorbauelements. Dieses besteht aus einer vierschichtigen pnpn-Struktur, die aus drei in Reihe geschalteten pn-Übergängen (J1, J2 und J3) besteht. Die äußerste p-Schicht, die mit der Kontaktelektrode verbunden ist, wird als Anode bezeichnet, die n-Schicht auf der anderen Seite als Kathode. Diese Struktur ohne zusätzliche Elektroden stellt ein Zweipolbauelement dar und wird als pnpn-Diode bezeichnet.
Wenn eine weitere Elektrode, das sogenannte Gate, mit der inneren p2-Schicht verbunden wird, wird das resultierende Dreipolgerät als halbleitergesteuerter Gleichrichter (SCR) oder Thyristor bezeichnet.
Das Diagramm in (b) zeigt ein typisches Dotierungsprofil eines Thyristorbauelements. Es beginnt mit einem Siliziumwafer vom n-Typ mit hohem spezifischem Widerstand als Ausgangsmaterial (n-Schicht), gefolgt von einem Diffusionsschritt zur gleichzeitigen Bildung der p1- und p2-Schichten. Schließlich wird durch Legieren oder Diffusion die n2-Schicht auf einer Seite des Siliziumwafers erzeugt.
Diagramm (c) zeigt das Energiebanddiagramm des Thyristorbauelements im thermischen Gleichgewicht. Jeder Übergang verfügt über eine Verarmungsschicht und das eingebaute Potenzial wird durch die Dotierungskonzentration bestimmt.
Das Diagramm zeigt eine einfache Anwendung eines Thyristorgeräts, mit dem die von der Stromleitung an die Last gelieferte Leistung angepasst werden kann. Die Last RL könnte beispielsweise eine Glühbirne oder eine Heizung sein. Die in jedem Zyklus an die Last gelieferte Leistung wird durch den Gate-Stromimpuls des Thyristorgeräts gesteuert.
Wenn der Gate-Stromimpuls kurz vor Beginn jedes Zyklus angelegt wird, wird mehr Leistung an die Last übertragen. Umgekehrt führt eine Verzögerung des Gate-Stromimpulses dazu, dass die an die Last gelieferte Leistung deutlich reduziert wird, wenn das Thyristorbauelement gegen Ende des Zyklus leitet.
Dies sind alle Informationen zu Bipolartransistoren.
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