Layanan Hotline
Kolumnis
Kolumnis
Segala sesuatu tentang transistor sambungan bipolar (BJT)
2024-03-21
2597
Asal Usul Transistor Persimpangan Bipolar
Dalam transistor sambungan bipolar modern, silikon telah menggantikan germanium sebagai substrat, dan kontak titik telah digantikan oleh dua sambungan pn berpasangan yang berdekatan. Strukturnya bisa berbentuk pnp atau npn.
Transistor, kependekan dari "transfer resistor", adalah perangkat semikonduktor multi-persimpangan. Biasanya terintegrasi dengan komponen rangkaian lainnya, transistor digunakan untuk mencapai penguatan tegangan, arus, atau daya sinyal.
Transistor bipolar, juga dikenal sebagai transistor sambungan bipolar (BJT), adalah salah satu perangkat semikonduktor yang paling penting dan banyak digunakan dalam rangkaian berkecepatan tinggi, rangkaian analog, amplifikasi daya, dan banyak lagi.
Misalnya, semikonduktor tipe-p seperti sepotong tanah liat persegi yang diisi banyak lubang (dikenal sebagai lubang elektron), mirip dengan liang yang terlihat pada lobster. Semikonduktor tipe-n juga merupakan sepotong tanah liat berbentuk persegi, tetapi diisi dengan banyak lobster (elektron bebas). Saat kedua potongan tanah liat ini kita rekatkan, lobster akan merangkak menuju liang.
Karena cadangan di barisan depan sudah hampir habis, industri semikonduktor menyebut wilayah ini sebagai wilayah penipisan.
Ibarat sebuah pintu: mudah bagi seseorang untuk mendorong pintu hingga terbuka ke satu arah, tetapi sulit jika Anda mencoba mendorongnya ke arah yang berlawanan. Tentu saja, Anda dapat menggunakan tenaga yang besar untuk mendorong pintu dengan keras hingga rusak, sebuah proses yang kami sebut sebagai kerusakan pada sambungan.
Melihat karakteristik arus-tegangan pada sambungan PN, kurvanya seperti terlihat pada diagram di bawah ini.
Ketika bias balik diterapkan pada sambungan PN, hal ini seperti memberikan teleskop kepada lobster di dalam lumpur. Lobster dapat melihat lebih jauh dan merangkak dengan lebih bersemangat, sehingga lebih banyak lobster yang menemukan liangnya. Akibatnya, pergerakan lobster secara keseluruhan meningkat, dan wilayah penipisan semikonduktor meluas.
Diagram di bawah menunjukkan tampilan perspektif transistor bipolar pnp. Proses pembuatannya melibatkan penggunaan semikonduktor tipe-p sebagai substrat, memanfaatkan prinsip difusi termal untuk menciptakan wilayah tipe-n pada substrat tipe-p. Selanjutnya, daerah tipe p+ konsentrasi tinggi terbentuk pada daerah tipe-n ini melalui difusi termal. Terakhir, logam digunakan untuk menutupi daerah tipe p+, n, dan di bawahnya untuk membentuk kontak ohmik.
Daerah tipe-n sempit antara, dengan konsentrasi pengotor sedang, disebut basa (dilambangkan dengan B), dan lebar daerah basa harus jauh lebih kecil daripada panjang difusi pembawa minoritas;
Daerah dengan konsentrasi tipe p terendah disebut kolektor (dilambangkan dengan C). Dengan asumsi distribusi konsentrasi yang seragam di setiap wilayah, konsep sambungan pn dapat langsung diterapkan pada sambungan di dalam transistor.
Mengganti daerah tipe-p dengan daerah tipe-n dan daerah tipe-n dengan daerah tipe-p dalam struktur transistor bipolar pnp menghasilkan struktur transistor bipolar npn. Oleh karena itu, arah arus dan polaritas tegangan juga terbalik.
Diagram (a) menunjukkan transistor bipolar pnp ideal dalam kesetimbangan termal, di mana ketiga terminalnya dihubungkan bersama atau semuanya terhubung ke ground, dengan daerah yang diarsir mewakili daerah penipisan dua sambungan pn.
Diagram (b) mengilustrasikan konsentrasi pengotor di tiga daerah yang didoping, dengan daerah emitor mempunyai konsentrasi doping yang jauh lebih tinggi dibandingkan daerah kolektor, dan daerah basa mempunyai konsentrasi lebih rendah dari emitor tetapi lebih tinggi dari kolektor.
Diagram (c) menggambarkan sebaran medan listrik di daerah penipisan.
Diagram (d) menampilkan diagram pita energi transistor, memperluas keadaan kesetimbangan termal sambungan pn dan menerapkannya pada dua sambungan p+ - n dan sambungan n - p yang berdekatan.
Diagram (a) menunjukkan transistor dihubungkan sebagai penguat konfigurasi basis bersama, di mana basis dibagi antara rangkaian input dan output.
Diagram (b) dan (c) menggambarkan kepadatan muatan dan distribusi medan listrik dalam kondisi bias, dibandingkan dengan keadaan kesetimbangan termal yang digambarkan pada diagram sebelumnya. Lebar daerah deplesi pada pertemuan emitor-basis menyempit, sedangkan daerah deplesi pada pertemuan kolektor-basis melebar.
Diagram (d) menampilkan diagram pita energi transistor yang beroperasi dalam mode amplifikasi. Persimpangan emitor-basis bersifat bias maju, menyebabkan lubang diinjeksikan dari daerah emitor p+ ke daerah basis, dan elektron diinjeksikan dari daerah basa ke daerah emitor.
Di sisi lain, sambungan kolektor-basis diberi bias balik, sehingga memungkinkan arus saturasi balik mengalir. Jika daerah basis cukup sempit, lubang yang disuntikkan dari daerah emitor ke daerah basis dapat berdifusi melalui daerah basis dan mencapai tepi daerah penipisan basis kolektor, akhirnya mengalir melalui daerah kolektor di bawah bias dari kolektor-basis. persimpangan dasar.
Mekanisme transpor ini memunculkan nama "emitor" untuk menginjeksikan pembawa muatan dan "kolektor" untuk mengumpulkan pembawa yang diinjeksikan dari persimpangan yang berdekatan.
Jika sebagian besar lubang yang diinjeksi tidak bergabung kembali dengan elektron di daerah basis tetapi mencapai kolektor, arus kolektor yang disebabkan oleh lubang akan sangat mirip dengan arus lubang emitor.
Jelaslah bahwa lubang yang diinjeksikan dari sambungan emitor-basis yang berdekatan dapat menghasilkan arus yang signifikan pada sambungan kolektor-basis dengan bias balik, yang menyebabkan efek amplifikasi pada transistor, yang hanya terjadi bila kedua sambungan ini cukup berdekatan. karenanya disebut sebagai persimpangan pn yang berinteraksi.
Sebaliknya, jika jarak kedua sambungan pn ini terlalu jauh, maka semua lubang yang masuk akan bergabung kembali dengan elektron di daerah basis dan tidak mencapai daerah kolektor, sehingga tidak ada efek amplifikasi pada transistor. Dalam hal ini, struktur pnp hanya bertindak sebagai dua dioda pn yang terhubung secara berurutan.
Penguatan arus: Diagram di bawah menggambarkan berbagai komponen arus dalam transistor pnp ideal yang beroperasi dalam mode amplifikasi. Dengan asumsi tidak ada arus rekombinasi pembangkitan di daerah penipisan, lubang yang diinjeksikan dari daerah emitor merupakan komponen IEp arus yang dominan.
Ada tiga arus di basis: IBB, IEn, dan ICn.
IBB mewakili arus elektron yang disuplai oleh basa yang bergabung kembali dengan lubang yang datang (yaitu, IBB = IEp - ICp); IEn mewakili arus elektron yang disuntikkan dari daerah basa ke daerah emitor, yang merupakan komponen arus yang tidak diinginkan yang dapat dikurangi dengan doping berat pada emitor atau menggunakan heterojungsi; ICn mewakili arus elektron yang dihasilkan di dekat persimpangan kolektor akibat efek termal, mengalir dari daerah kolektor ke daerah basis.
Mode pengoperasian: Tergantung pada tegangan bias pada sambungan emitor-basis dan sambungan kolektor-basis, transistor bipolar memiliki empat mode pengoperasian.
Diagram di bawah menggambarkan empat mode operasi transistor pnp dan hubungannya dengan VEB dan VCB. Distribusi pembawa minoritas di setiap mode operasi juga ditunjukkan pada diagram.
Misalnya, dalam mode amplifikasi, sambungan emitor-basis mendapat bias maju, dan sambungan kolektor-basis mendapat bias mundur.
Dalam mode saturasi, kedua sambungan transistor dibias maju, menyebabkan adanya pembawa minoritas di daerah penipisan kedua sambungan.
Dalam mode saturasi, tegangan kecil dapat menghasilkan arus keluaran yang besar, menempatkan transistor dalam keadaan konduktif yang mirip dengan hubungan pendek.
Dalam mode cutoff, kedua sambungan transistor dibias mundur, menyebabkan kondisi batas pn(0) = pn(W) = 0. Transistor dalam mode cutoff dapat dilihat sebagai saklar dalam posisi terbuka (atau mati) .
Dalam mode terbalik, sambungan emitor-basis diberi bias mundur, dan sambungan kolektor-basis diberi bias maju. Dalam mode ini, elektroda kolektor berfungsi sebagai emitor dan sebaliknya. Namun, penguatan arus dalam mode terbalik biasanya lebih kecil dibandingkan mode amplifikasi karena konsentrasi doping yang lebih rendah di wilayah kolektor dibandingkan dengan wilayah basis, sehingga menghasilkan "efisiensi emisi" yang lebih rendah.
Peralihan proses transien: Dalam rangkaian digital, transistor terutama bertindak sebagai sakelar. Dengan menggunakan arus basis yang kecil maka arus kolektor dapat dengan cepat diubah dari mati menjadi hidup (dan sebaliknya) dalam waktu yang sangat singkat. Dalam keadaan mati terdapat tegangan tinggi dan arus rendah, sedangkan dalam keadaan hidup terdapat tegangan rendah dan arus tinggi.
Transistor Bipolar Heterojungsi (HBT)
Transistor Bipolar Heterojunction (HBTs) mengacu pada transistor di mana salah satu atau kedua sambungannya terbuat dari bahan semikonduktor yang berbeda.
Keuntungan utama HBT adalah efisiensi emisinya yang tinggi, dan penggunaannya mirip dengan transistor bipolar. Namun, HBT memiliki kecepatan lebih tinggi dan dapat beroperasi pada frekuensi lebih tinggi. Karena karakteristik ini, HBT banyak digunakan dalam aplikasi optoelektronik, gelombang mikro, dan digital. Dalam aplikasi gelombang mikro, HBT biasanya digunakan untuk memproduksi gelombang mikro solid-state dan penguat daya gelombang milimeter, osilator, dan mixer.
Struktur dasar HBT: Sebagian besar teknologi HBT dikembangkan dalam sistem material AlxGa1-xAs/GaAs. Struktur dasar npn HBT terdiri dari lapisan AlxGa1-xAs dengan celah pita lebar di wilayah emitor tipe-n, lapisan GaAs dengan celah pita yang lebih sempit di wilayah basis tipe-p, dan wilayah kolektor dan subkolektor tipe-n yang terbuat dari doping ringan dan doping berat. GaA, masing-masing.
HBT Tingkat Lanjut: Dalam beberapa tahun terakhir, material dari seri InP (seperti InP/InGaAs atau AlInAs/InGaAs) telah diteliti secara sistematis, dan heterostruktur berbasis InP menawarkan banyak keuntungan. Struktur InP/InGaAs menunjukkan rekombinasi permukaan yang sangat rendah, dan mobilitas elektron InGaAs jauh lebih tinggi dibandingkan GaAs, sehingga menghasilkan kinerja frekuensi tinggi yang sangat baik.
Grafik di bawah menggambarkan kurva karakteristik HBT berbasis indium fosfida, dengan frekuensi cutoff mencapai hingga 254 GHz. Selain itu, InP menunjukkan kecepatan penyimpangan yang lebih tinggi daripada GaA di bawah medan listrik yang kuat dan juga memiliki tegangan tembus yang lebih tinggi.
Perangkap antarmuka silikon dengan kepadatan rendah membantu mengurangi arus rekombinasi permukaan, memastikan perolehan arus yang tinggi bahkan pada arus kolektor rendah. Selain itu, kompatibilitas dengan teknologi pemrosesan silikon standar merupakan fitur lain yang sangat menarik.
Diagram pada (a) mengilustrasikan struktur HBT Si/SiGe yang khas, sedangkan (b) membandingkan arus kolektor HBT Si/SiGe dengan transistor bipolar homojungsi silikon, menunjukkan bahwa HBT Si/SiGe menunjukkan penguatan arus yang lebih tinggi. Dibandingkan dengan HBT berbasis galium arsenida dan indium fosfida, Si/SiGe
HBT memiliki frekuensi cutoff yang lebih rendah karena mobilitas pembawa silikon yang lebih rendah.
Karakteristik Dasar: Diagram di bawah menggambarkan penampang perangkat thyristor, yang terdiri dari struktur pnpn empat lapis yang dibentuk oleh tiga sambungan pn yang dihubungkan seri, yaitu J1, J2, dan J3. Lapisan p terluar yang terhubung ke elektroda kontak disebut anoda, sedangkan lapisan n di sisi lain disebut katoda. Struktur ini, tanpa elektroda tambahan, mewakili perangkat dua terminal dan dikenal sebagai dioda pnpn.
Diagram (c) mengilustrasikan diagram pita energi perangkat thyristor dalam kesetimbangan termal. Setiap persimpangan memiliki lapisan penipisan, dan potensi bawaan ditentukan oleh konsentrasi doping.
Jika pulsa arus gerbang diterapkan mendekati awal setiap siklus, lebih banyak daya akan ditransfer ke beban. Sebaliknya, penundaan pulsa arus gerbang akan mengakibatkan berkurangnya daya yang disalurkan ke beban secara signifikan saat perangkat thyristor bekerja menjelang akhir siklus.
Transistor sambungan bipolar ditemukan oleh tim peneliti di Bell Laboratories pada tahun 1947. Transistor pertama terdiri dari dua kabel logam dengan ujung tajam yang membuat titik kontak dengan substrat germanium. Meskipun primitif menurut standar saat ini, transistor pertama ini secara signifikan mengubah seluruh industri elektronik dan cara hidup umat manusia.
Dalam transistor sambungan bipolar modern, silikon telah menggantikan germanium sebagai substrat, dan kontak titik telah digantikan oleh dua sambungan pn berpasangan yang berdekatan. Strukturnya bisa berbentuk pnp atau npn.
Transistor, kependekan dari "transfer resistor", adalah perangkat semikonduktor multi-persimpangan. Biasanya terintegrasi dengan komponen rangkaian lainnya, transistor digunakan untuk mencapai penguatan tegangan, arus, atau daya sinyal.
Transistor bipolar, juga dikenal sebagai transistor sambungan bipolar (BJT), adalah salah satu perangkat semikonduktor yang paling penting dan banyak digunakan dalam rangkaian berkecepatan tinggi, rangkaian analog, amplifikasi daya, dan banyak lagi.
Apa itu Persimpangan PN?
Ini adalah persimpangan yang dibentuk oleh kontak antara semikonduktor tipe-p dan semikonduktor tipe-n.
Misalnya, semikonduktor tipe-p seperti sepotong tanah liat persegi yang diisi banyak lubang (dikenal sebagai lubang elektron), mirip dengan liang yang terlihat pada lobster. Semikonduktor tipe-n juga merupakan sepotong tanah liat berbentuk persegi, tetapi diisi dengan banyak lobster (elektron bebas). Saat kedua potongan tanah liat ini kita rekatkan, lobster akan merangkak menuju liang.
Lobster paling depan adalah yang pertama menemukan liang di barisan depan. Begitu lobster barisan depan merangkak ke dalam liang, lobster di belakangnya harus memanjat lebih jauh dan menghadapi kesulitan yang lebih besar dalam menemukan liang.
Karena cadangan di barisan depan sudah hampir habis, industri semikonduktor menyebut wilayah ini sebagai wilayah penipisan.
Persimpangan PN memiliki karakteristik yang disebut penyearah, yang memungkinkan arus mengalir hanya dalam satu arah.
Ibarat sebuah pintu: mudah bagi seseorang untuk mendorong pintu hingga terbuka ke satu arah, tetapi sulit jika Anda mencoba mendorongnya ke arah yang berlawanan. Tentu saja, Anda dapat menggunakan tenaga yang besar untuk mendorong pintu dengan keras hingga rusak, sebuah proses yang kami sebut sebagai kerusakan pada sambungan.
Melihat karakteristik arus-tegangan pada sambungan PN, kurvanya seperti terlihat pada diagram di bawah ini.
Ketika bias maju diterapkan pada persimpangan PN, itu seperti menutup mata lobster di lumpur. Lobster menjadi rabun dan hanya bisa melihat liang yang ada di barisan depan. Akibatnya, pergerakan lobster secara keseluruhan berkurang, dan jumlah lobster yang merangkak menuju liang juga berkurang, sehingga mengurangi luas wilayah penipisan.
Ketika bias balik diterapkan pada sambungan PN, hal ini seperti memberikan teleskop kepada lobster di dalam lumpur. Lobster dapat melihat lebih jauh dan merangkak dengan lebih bersemangat, sehingga lebih banyak lobster yang menemukan liangnya. Akibatnya, pergerakan lobster secara keseluruhan meningkat, dan wilayah penipisan semikonduktor meluas.
Pada gambar di bawah, (a) mewakili lebar normal daerah penipisan pada sambungan PN, (b) menunjukkan lebar setelah penerapan bias maju, dan (c) menunjukkan lebar setelah penerapan bias mundur.
Struktur transistor bipolar:
Diagram di bawah menunjukkan tampilan perspektif transistor bipolar pnp. Proses pembuatannya melibatkan penggunaan semikonduktor tipe-p sebagai substrat, memanfaatkan prinsip difusi termal untuk menciptakan wilayah tipe-n pada substrat tipe-p. Selanjutnya, daerah tipe p+ konsentrasi tinggi terbentuk pada daerah tipe-n ini melalui difusi termal. Terakhir, logam digunakan untuk menutupi daerah tipe p+, n, dan di bawahnya untuk membentuk kontak ohmik.
Transistor bipolar pnp terdiri dari tiga daerah dengan konsentrasi doping berbeda, membentuk dua sambungan pn. Daerah p+ dengan konsentrasi tertinggi disebut emitor (dilambangkan dengan E);
Daerah tipe-n sempit antara, dengan konsentrasi pengotor sedang, disebut basa (dilambangkan dengan B), dan lebar daerah basa harus jauh lebih kecil daripada panjang difusi pembawa minoritas;
Daerah dengan konsentrasi tipe p terendah disebut kolektor (dilambangkan dengan C). Dengan asumsi distribusi konsentrasi yang seragam di setiap wilayah, konsep sambungan pn dapat langsung diterapkan pada sambungan di dalam transistor.
Diagram di bawah menunjukkan simbol rangkaian transistor bipolar pnp, yang menunjukkan berbagai komponen arus dan polaritas tegangan. Panah dan simbol "+" dan "–" mewakili arah arus dan polaritas tegangan dalam mode kerja umum (yaitu, mode amplifikasi, mode aktif) transistor. Dalam mode ini, sambungan emitor-basis diberi bias maju (VEB > 0), sedangkan sambungan kolektor-basis diberi bias mundur (VCB < 0). Berdasarkan
Hukum rangkaian Kirchhoff, untuk perangkat tiga terminal ini, hanya ada dua arus independen; jika ada dua arus yang diketahui, arus terminal ketiga dapat ditentukan.
Hukum rangkaian Kirchhoff, untuk perangkat tiga terminal ini, hanya ada dua arus independen; jika ada dua arus yang diketahui, arus terminal ketiga dapat ditentukan.
Struktur dan simbol rangkaian transistor bipolar npn saling melengkapi dengan transistor bipolar pnp. Diagram di bawah menunjukkan struktur ideal dan simbol rangkaian transistor pnp.
Mengganti daerah tipe-p dengan daerah tipe-n dan daerah tipe-n dengan daerah tipe-p dalam struktur transistor bipolar pnp menghasilkan struktur transistor bipolar npn. Oleh karena itu, arah arus dan polaritas tegangan juga terbalik.
Memahami transistor pnp, seseorang dapat mendeskripsikan transistor npn hanya dengan menukar polaritas dan jenis dopingnya.
IV. Mode Amplifikasi Transistor Bipolar
Diagram (a) menunjukkan transistor bipolar pnp ideal dalam kesetimbangan termal, di mana ketiga terminalnya dihubungkan bersama atau semuanya terhubung ke ground, dengan daerah yang diarsir mewakili daerah penipisan dua sambungan pn.
Diagram (b) mengilustrasikan konsentrasi pengotor di tiga daerah yang didoping, dengan daerah emitor mempunyai konsentrasi doping yang jauh lebih tinggi dibandingkan daerah kolektor, dan daerah basa mempunyai konsentrasi lebih rendah dari emitor tetapi lebih tinggi dari kolektor.
Diagram (c) menggambarkan sebaran medan listrik di daerah penipisan.
Diagram (d) menampilkan diagram pita energi transistor, memperluas keadaan kesetimbangan termal sambungan pn dan menerapkannya pada dua sambungan p+ - n dan sambungan n - p yang berdekatan.
Diagram berikut berhubungan dengan transistor yang beroperasi dalam mode amplifikasi seperti yang digambarkan pada ilustrasi sebelumnya.
Diagram (a) menunjukkan transistor dihubungkan sebagai penguat konfigurasi basis bersama, di mana basis dibagi antara rangkaian input dan output.
Diagram (b) dan (c) menggambarkan kepadatan muatan dan distribusi medan listrik dalam kondisi bias, dibandingkan dengan keadaan kesetimbangan termal yang digambarkan pada diagram sebelumnya. Lebar daerah deplesi pada pertemuan emitor-basis menyempit, sedangkan daerah deplesi pada pertemuan kolektor-basis melebar.
Diagram (d) menampilkan diagram pita energi transistor yang beroperasi dalam mode amplifikasi. Persimpangan emitor-basis bersifat bias maju, menyebabkan lubang diinjeksikan dari daerah emitor p+ ke daerah basis, dan elektron diinjeksikan dari daerah basa ke daerah emitor.
Pada dioda ideal, tidak terdapat arus pembangkitan-rekombinasi pada daerah penipisan, sehingga lubang yang diinjeksikan dari daerah emitor ke daerah basis dan elektron yang diinjeksikan dari daerah basis ke daerah emitor merupakan arus emitor.
Di sisi lain, sambungan kolektor-basis diberi bias balik, sehingga memungkinkan arus saturasi balik mengalir. Jika daerah basis cukup sempit, lubang yang disuntikkan dari daerah emitor ke daerah basis dapat berdifusi melalui daerah basis dan mencapai tepi daerah penipisan basis kolektor, akhirnya mengalir melalui daerah kolektor di bawah bias dari kolektor-basis. persimpangan dasar.
Mekanisme transpor ini memunculkan nama "emitor" untuk menginjeksikan pembawa muatan dan "kolektor" untuk mengumpulkan pembawa yang diinjeksikan dari persimpangan yang berdekatan.
Jika sebagian besar lubang yang diinjeksi tidak bergabung kembali dengan elektron di daerah basis tetapi mencapai kolektor, arus kolektor yang disebabkan oleh lubang akan sangat mirip dengan arus lubang emitor.
Jelaslah bahwa lubang yang diinjeksikan dari sambungan emitor-basis yang berdekatan dapat menghasilkan arus yang signifikan pada sambungan kolektor-basis dengan bias balik, yang menyebabkan efek amplifikasi pada transistor, yang hanya terjadi bila kedua sambungan ini cukup berdekatan. karenanya disebut sebagai persimpangan pn yang berinteraksi.
Sebaliknya, jika jarak kedua sambungan pn ini terlalu jauh, maka semua lubang yang masuk akan bergabung kembali dengan elektron di daerah basis dan tidak mencapai daerah kolektor, sehingga tidak ada efek amplifikasi pada transistor. Dalam hal ini, struktur pnp hanya bertindak sebagai dua dioda pn yang terhubung secara berurutan.
Penguatan arus: Diagram di bawah menggambarkan berbagai komponen arus dalam transistor pnp ideal yang beroperasi dalam mode amplifikasi. Dengan asumsi tidak ada arus rekombinasi pembangkitan di daerah penipisan, lubang yang diinjeksikan dari daerah emitor merupakan komponen IEp arus yang dominan.
Sebagian besar lubang datang akan mencapai elektroda kolektor dan membentuk ICp.
Ada tiga arus di basis: IBB, IEn, dan ICn.
IBB mewakili arus elektron yang disuplai oleh basa yang bergabung kembali dengan lubang yang datang (yaitu, IBB = IEp - ICp); IEn mewakili arus elektron yang disuntikkan dari daerah basa ke daerah emitor, yang merupakan komponen arus yang tidak diinginkan yang dapat dikurangi dengan doping berat pada emitor atau menggunakan heterojungsi; ICn mewakili arus elektron yang dihasilkan di dekat persimpangan kolektor akibat efek termal, mengalir dari daerah kolektor ke daerah basis.
Mode pengoperasian: Tergantung pada tegangan bias pada sambungan emitor-basis dan sambungan kolektor-basis, transistor bipolar memiliki empat mode pengoperasian.
Diagram di bawah menggambarkan empat mode operasi transistor pnp dan hubungannya dengan VEB dan VCB. Distribusi pembawa minoritas di setiap mode operasi juga ditunjukkan pada diagram.
Misalnya, dalam mode amplifikasi, sambungan emitor-basis mendapat bias maju, dan sambungan kolektor-basis mendapat bias mundur.
Dalam mode saturasi, kedua sambungan transistor dibias maju, menyebabkan adanya pembawa minoritas di daerah penipisan kedua sambungan.
Dalam mode saturasi, tegangan kecil dapat menghasilkan arus keluaran yang besar, menempatkan transistor dalam keadaan konduktif yang mirip dengan hubungan pendek.
Dalam mode cutoff, kedua sambungan transistor dibias mundur, menyebabkan kondisi batas pn(0) = pn(W) = 0. Transistor dalam mode cutoff dapat dilihat sebagai saklar dalam posisi terbuka (atau mati) .
Dalam mode terbalik, sambungan emitor-basis diberi bias mundur, dan sambungan kolektor-basis diberi bias maju. Dalam mode ini, elektroda kolektor berfungsi sebagai emitor dan sebaliknya. Namun, penguatan arus dalam mode terbalik biasanya lebih kecil dibandingkan mode amplifikasi karena konsentrasi doping yang lebih rendah di wilayah kolektor dibandingkan dengan wilayah basis, sehingga menghasilkan "efisiensi emisi" yang lebih rendah.
Peralihan proses transien: Dalam rangkaian digital, transistor terutama bertindak sebagai sakelar. Dengan menggunakan arus basis yang kecil maka arus kolektor dapat dengan cepat diubah dari mati menjadi hidup (dan sebaliknya) dalam waktu yang sangat singkat. Dalam keadaan mati terdapat tegangan tinggi dan arus rendah, sedangkan dalam keadaan hidup terdapat tegangan rendah dan arus tinggi.
Transistor Bipolar Heterojungsi (HBT)
Transistor Bipolar Heterojunction (HBTs) mengacu pada transistor di mana salah satu atau kedua sambungannya terbuat dari bahan semikonduktor yang berbeda.
Keuntungan utama HBT adalah efisiensi emisinya yang tinggi, dan penggunaannya mirip dengan transistor bipolar. Namun, HBT memiliki kecepatan lebih tinggi dan dapat beroperasi pada frekuensi lebih tinggi. Karena karakteristik ini, HBT banyak digunakan dalam aplikasi optoelektronik, gelombang mikro, dan digital. Dalam aplikasi gelombang mikro, HBT biasanya digunakan untuk memproduksi gelombang mikro solid-state dan penguat daya gelombang milimeter, osilator, dan mixer.
Struktur dasar HBT: Sebagian besar teknologi HBT dikembangkan dalam sistem material AlxGa1-xAs/GaAs. Struktur dasar npn HBT terdiri dari lapisan AlxGa1-xAs dengan celah pita lebar di wilayah emitor tipe-n, lapisan GaAs dengan celah pita yang lebih sempit di wilayah basis tipe-p, dan wilayah kolektor dan subkolektor tipe-n yang terbuat dari doping ringan dan doping berat. GaA, masing-masing.
Untuk membentuk kontak ohmik, lapisan galium arsenida tipe-n yang sangat terdoping ditambahkan antara kontak emitor dan lapisan aluminium galium arsenida. Karena perbedaan lebar celah pita yang signifikan antara daerah emitor dan basis, penguatan arus emitor bersama dapat ditingkatkan secara signifikan. Sebaliknya, transistor bipolar homojunction tidak memiliki perbedaan lebar pita, sehingga rasio konsentrasi doping antara daerah emitor dan basis harus ditingkatkan secara signifikan. Perbedaan mendasar ini membedakan homojunction dari transistor bipolar heterojunction.
HBT Tingkat Lanjut: Dalam beberapa tahun terakhir, material dari seri InP (seperti InP/InGaAs atau AlInAs/InGaAs) telah diteliti secara sistematis, dan heterostruktur berbasis InP menawarkan banyak keuntungan. Struktur InP/InGaAs menunjukkan rekombinasi permukaan yang sangat rendah, dan mobilitas elektron InGaAs jauh lebih tinggi dibandingkan GaAs, sehingga menghasilkan kinerja frekuensi tinggi yang sangat baik.
Grafik di bawah menggambarkan kurva karakteristik HBT berbasis indium fosfida, dengan frekuensi cutoff mencapai hingga 254 GHz. Selain itu, InP menunjukkan kecepatan penyimpangan yang lebih tinggi daripada GaA di bawah medan listrik yang kuat dan juga memiliki tegangan tembus yang lebih tinggi.
Jenis heterojungsi lainnya adalah sistem material Si/SiGe, yang menawarkan beberapa fitur menarik untuk aplikasi HBT. Mirip dengan HBT AlGaAs/GaAs, HBT Si/SiGe juga mendapat manfaat dari kemampuan doping yang besar karena perbedaan lebar celah pita, sehingga menghasilkan kinerja kecepatan tinggi.
Perangkap antarmuka silikon dengan kepadatan rendah membantu mengurangi arus rekombinasi permukaan, memastikan perolehan arus yang tinggi bahkan pada arus kolektor rendah. Selain itu, kompatibilitas dengan teknologi pemrosesan silikon standar merupakan fitur lain yang sangat menarik.
Diagram pada (a) mengilustrasikan struktur HBT Si/SiGe yang khas, sedangkan (b) membandingkan arus kolektor HBT Si/SiGe dengan transistor bipolar homojungsi silikon, menunjukkan bahwa HBT Si/SiGe menunjukkan penguatan arus yang lebih tinggi. Dibandingkan dengan HBT berbasis galium arsenida dan indium fosfida, Si/SiGe
HBT memiliki frekuensi cutoff yang lebih rendah karena mobilitas pembawa silikon yang lebih rendah.
Bagian VI: Perangkat Thyristor dan Perangkat Daya Terkait
Perangkat thyristor adalah komponen daya penting yang mampu mengendalikan tegangan tinggi dan arus tinggi, memungkinkan perangkat untuk bertransisi dari keadaan tertutup atau diblokir ke keadaan terbuka atau konduksi, dan sebaliknya. Pengoperasiannya berkaitan erat dengan transistor bipolar, yang melibatkan konduksi elektron dan lubang.
Namun, mekanisme dan struktur peralihannya berbeda dari transistor bipolar, karena menawarkan berbagai kemampuan kontrol arus dan tegangan. Arus pengenal dapat berkisar dari beberapa miliampere hingga lebih dari 5000A, dengan tegangan pengenal melebihi 10,000V.
Namun, mekanisme dan struktur peralihannya berbeda dari transistor bipolar, karena menawarkan berbagai kemampuan kontrol arus dan tegangan. Arus pengenal dapat berkisar dari beberapa miliampere hingga lebih dari 5000A, dengan tegangan pengenal melebihi 10,000V.
Karakteristik Dasar: Diagram di bawah menggambarkan penampang perangkat thyristor, yang terdiri dari struktur pnpn empat lapis yang dibentuk oleh tiga sambungan pn yang dihubungkan seri, yaitu J1, J2, dan J3. Lapisan p terluar yang terhubung ke elektroda kontak disebut anoda, sedangkan lapisan n di sisi lain disebut katoda. Struktur ini, tanpa elektroda tambahan, mewakili perangkat dua terminal dan dikenal sebagai dioda pnpn.
Jika elektroda lain, yang dikenal sebagai gerbang, dihubungkan ke lapisan p2 bagian dalam, perangkat tiga terminal yang dihasilkan disebut penyearah yang dikontrol semikonduktor (SCR) atau thyristor.
Diagram pada (b) menunjukkan profil doping tipikal perangkat thyristor. Ini dimulai dengan wafer silikon tipe-n resistivitas tinggi sebagai bahan awal (lapisan-n), diikuti dengan langkah difusi untuk secara bersamaan membentuk lapisan p1 dan p2. Terakhir, paduan atau difusi digunakan untuk membuat lapisan n2 pada satu sisi wafer silikon.
Diagram (c) mengilustrasikan diagram pita energi perangkat thyristor dalam kesetimbangan termal. Setiap persimpangan memiliki lapisan penipisan, dan potensi bawaan ditentukan oleh konsentrasi doping.
Diagram mengilustrasikan aplikasi sederhana perangkat thyristor, yang dapat mengatur daya yang disalurkan dari saluran listrik ke beban. Bebannya, RL, bisa berupa bola lampu atau pemanas, misalnya. Daya yang disalurkan ke beban pada setiap siklus dikendalikan oleh pulsa arus gerbang perangkat thyristor.
Jika pulsa arus gerbang diterapkan mendekati awal setiap siklus, lebih banyak daya akan ditransfer ke beban. Sebaliknya, penundaan pulsa arus gerbang akan mengakibatkan berkurangnya daya yang disalurkan ke beban secara signifikan saat perangkat thyristor bekerja menjelang akhir siklus.
Ini semua informasi mengenai transistor bipolar.
Rekomendasi Terkait
粤公网安备44030002007346号