Общие сведения о транзисторах

1.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
О ТРАНЗИСТОРАХ

2.

Транзистор – электронный полупроводниковый
прибор,
предназначенный
для
усиления,
генерирования и преобразования электрических
сигналов. Если быть точнее, то транзистор
позволяет регулировать силу электрического тока
подобно тому, как водяной кран регулирует поток
воды. Отсюда следуют две основные функции
прибора в электрической цепи — это усилитель и
переключатель.

3.

Обозначения и типы транзисторов
Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы.
Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT,
Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще
их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect
Transistor).
Полевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET —
Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-OxideSemiconductor FET) .

4.

5.

УГО транзистора

6.

Классификация:
1.По основному полупроводниковому материалу:
Германиевые
Кремниевые
арсенид-галлиевые.
2.По структуре:
-Биполярные( n-p-n структуры, «обратной проводимости»; p-n-p структуры,
«прямой проводимости».
-Полевые (с p-n переходом; с изолированным затвором).
-Однопереходные.
-Криогенные транзисторы.

7.

Классификация:
3.Комбинированные транзисторы:
транзисторы со встроенными резисторами;
транзистор Дарлингтона; лямбда-диод;
биполярный транзистор с изолированным затвором.
4.По мощности:
По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
маломощные транзисторы до 100 мВт
транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт
мощные транзисторы (больше 1 Вт).

8.

Классификация:
5.По исполнению:
дискретные транзисторы
корпусные (для свободного монтажа, для установки на радиатор, для
автоматизированных систем пайки).
безкорпусные
транзисторы в составе интегральных схем.
6.По материалу и конструкции корпуса
метало-стеклянный
Пластмассовый
Керамический
7.Прочие (одноэлектронные, биотранзистор)

9.

Обозначение транзисторов разных типов. Условные обозначения: Э — эмиттер, К —
коллектор, Б — база; З — затвор, И — исток, С — сток.

10.

Структура и принцип работы биполярного
транзистора в режиме усиления
В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах
транзистора различают следующие режимы его работы:
а) активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на
коллекторный переход – обратное;
б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор
заперт);
в) режим насыщения – на оба перехода поданы прямые напряжения
(транзистор полностью открыт);
г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе
обратное, на коллекторном – прямое.

11.

Структура и принцип работы биполярного
транзистора в режиме усиления
Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве
электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в
усилителях. Инверсное включение используется редко, например, в схемах
двунаправленных переключателей, при этом транзисторы должны иметь
симметричные свойства в обоих направлениях.
В режиме отсечки оба перехода заперты, через них проходят незначительные
обратные токи, что эквивалентно большому сопротивлению переходов. В
первом приближении можно считать, что все токи равны нулю, а между
выводами транзистора имеет место разрыв.

12.

Структура и принцип работы биполярного
транзистора в режиме усиления
В режиме насыщения через оба перехода проходит большой прямой ток. В
первом приближении можно считать все выводы закороченными. Через
смещенный в прямом направлении эмиттерный переход проходит достаточно
большой прямой ток, обусловленный движением основных носителей заряда (в
данном случае – электронов). Электроны пролетают через p-n-переход и
инжектируются (впрыскиваются) в область базы; при этом дырки из области
базы проходят через переход в эмиттер (для них p-n-переход также смещен в
прямом направлении). Но поскольку эмиттер имеет большую концентрацию
примесей, то поток электронов из эмиттера в базу намного сильнее потока
дырок из базы в эмиттер. Именно электронный поток и является главным
действующим лицом в транзисторе типа n -p-n (аналогично дырки – в
транзисторе типа p-n-р).

13.

Структура и принцип работы биполярного
транзистора в режиме усиления
Из-за диффузии и дрейфа (в дрейфовых транзисторах) электроны движутся в
сторону коллекторного перехода, стремясь равномерно распределиться в
толще базы. Так как база имеет очень малую толщину и малое число дырок,
большинство разогнавшихся еще в эмиттере электронов не успевает
рекомбинировать в базе, они достигают коллекторного p-n-перехода, где для
них, как для неосновных носителей в области базы, обратное напряжение
перехода не является барьером, и уже в коллекторе электроны попадают под
притягивающее действие приложенного внешнего напряжения, образуя во
внешней цепи коллекторный ток IК .
В результате рекомбинации части электронов с дырками базы образуется ток
базы IБ, направленный в противоположную от коллектора сторону, и
коллекторный ток оказывается несколько меньше эмиттерного. Через
коллектор также течет обратный ток неосновных носителей – дырок,
вызванный обратным смещением коллекторного перехода.

14.

Маркировка транзисторов
Используется буквенно-цифровой шифр, который состоит из 5 элементов:
КТ540Б
123456
1 — исходный материал, на основе которого изготовлен транзистор и его содержание
не отличается от системы обозначения диодов, то есть Г или 1 — германий, К или 2 —
кремний, А или 3 — арсенид галлия, И или 4 — индий.
2 — буква Т (биполярный) или П (полевой).
3
— цифра, указывающая на функциональные возможности транзистора по
допустимой рассеиваемой мощности и частотным свойствам ( расшифровку по
цифрам смотрите следующий слайд).
4 — цифры от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки.
5 — одна из букв от А до Я, обозначающая деление технологического типа приборов на
группы.

15.

Маркировка транзисторов
3-1 элемент — цифра, указывающая на функциональные возможности транзистора по
допустимой рассеиваемой мощности и частотным свойствам.
Транзисторы малой мощности, Рmах < 0,3 Вт:
1
— маломощный низкочастотный, f < 3 МГц;
2
— маломощный среднечастотный, 3 < f < 30 МГц;
3
— маломощный высокочастотный, 30 < f < 300 МГц.
Транзисторы средней мощности, 0,3 < Рmах <1,5 Вт:
4
— средней мощности низкочастотный;
5
— средней мощности среднечастотный;
6
— средней мощности высокочастотный.
Транзисторы большой мощности, Рmах >1,5 Вт:
7
— большой мощности низкочастотный;
8
— большой мощности среднечастотный;
9
— большой мощности высокочастотный и сверхвысокочастотный (f> 300 Гц).

16.

БИПОЛЯРНЫЙ
ТРАНЗИСТОР

17.

Биполярный транзистор – прибор, состоящий из трех полупроводниковых
областей с чередующимся типом проводимости (n-p-n или p-n-p) с двумя p-nпереходами, пригодный для усиления, генерации и переключения
электрических сигналов. Основа принципа его действия состоит в том, что ток
прямо смещенного p-n-перехода вызывает изменение тока другого перехода,
смещенного в обратном направлении, т.е. это – прибор, управляемый током.

18.

Классификация транзисторов производится
по следующим признакам:
По материалу полупроводника - обычно германиевые или кремниевые;
По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой
проводимостью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n структура);
По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и
полевые (униполярные);
По частотным свойствам;
НЧ (<3 МГц);
СрЧ (3÷30 МГц);
ВЧ и СВЧ (>30 МГц);
По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности
СрМ (0,3÷3Вт), мощные (>3 Вт).

19.

Маркировка
Г Т - 313 А
К П - 103 Л
III- IIIIV
I - материал полупроводника: Г - германий, К - кремний.
II - тип транзистора по принципу действия: Т - биполярные, П - полевые. III - три или
четыре цифры - группа транзисторов по электрическим параметрам. Первая цифра
показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже
приведённой таблицей.
IV – модификация транзистора в 3-й группе.

20.

Устройство биполярных транзисторов
Основой
биполярного
транзистора
является
кристалл
полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как
и вывод от него называется базой. Диффузией примеси или
сплавлением с двух сторон от базы образуются области с
противоположным типом проводимости, нежели база.

21.

Устройство биполярных транзисторов
Область, имеющая большую площадь p-n перехода, и вывод от неё
называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n
перехода, и вывод от неё называют эмиттером. p-n переход между
коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между
эмиттером и базой – эмиттерным переходом. Основной
особенностью устройства биполярных транзисторов является
неравномерность концентрации основных носителей зарядов в
эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей
заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в
эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и
коллекторе.

22.

Принцип действия биполярных
транзисторов.
При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а
коллекторный – закрыт. Это достигается соответствующим включением источников
питания.
Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера,
вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в
эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие - электронную и
дырочную. Основное соотношение токов в транзисторе: Iэ = Iк + Iбα - коэффициент
передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току: Iк = α ∙ IэДырки из
коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя
обратный ток коллектора Iкбо. Iк = α ∙ Iэ + Iкбо
Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго - снимается
выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи.

23.

Принцип действия биполярных
транзисторов.
При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а
коллекторный – закрыт. Это достигается соответствующим включением источников
питания.
Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера,
вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в
эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие - электронную и
дырочную. Основное соотношение токов в транзисторе: Iэ = Iк + Iбα - коэффициент
передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току: Iк = α ∙ IэДырки из
коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя
обратный ток коллектора Iкбо. Iк = α ∙ Iэ + Iкбо
Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго - снимается
выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи.

24.

Принцип действия биполярных
транзисторов.

25.

ПОЛЕВЫЕ
ТРАНЗИСТОРЫ

26.

Полевым транзисторомназывается полупроводниковый усилительный прибор,
сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля.
Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического
сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника,
по которому проходит электрический ток.
В работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие, как
изменение объема р-п-перехода при изменении действующего на нем
запирающего напряжения; эффекты обеднения, обогащения носителями
зарядов или инверсии типа проводимости в приповерхностном слое
полупроводника. Полевые транзисторы иногда называют униполярными, потому
что ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака.
Полевые транзисторы еще называют канальными транзисторами, поскольку
управляющее работой транзистора электрическое поле проникает в
полупроводник относительно неглубоко, и все процессы протекают в тонком
слое, называемом каналом.
Управляющая цепь полевого транзистора практически не потребляет ток и
мощность. Это позволяет усиливать сигналы от источников, обладающих очень
большим внутренним сопротивлением и малой мощностью. Кроме того, это
дает возможность размещать сотни тысяч транзисторов на одном кристалле
микросхемы

27.

Полевые транзисторы с управляющим р-ппереходом
Полевой транзистор может быть изготовлен в виде пластинки полупроводника (с
п- или р-проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой
металла, называемый затвором, образующий плоский р-п-переход. К нижнему и
верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые
соответственно истоком и стоком. Если на затвор подается напряжение
запирающей полярности (положительное на п-затвор и отрицательное на рзатвор), то в зависимости от его значения в канале (р-п-переходе) возникает
обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором.
Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого
напряжения, называемого напряжением отсечки (напряжением запирания, или
пороговым напряжением, можно так расширить объем полупроводника,
занимаемого р-п-переходом, что он займет весь канал и перемещение
носителей заряда между истоком и стоком станет невозможным. Транзистор
полностью закроется .

28.

Полевые транзисторы с управляющим р-ппереходом
В
отличие
от
биполярных
транзисторов, управляемых током,
полевые
транзисторы
управляются напряжением, и,
поскольку
это
напряжение
приложено к управляющему р-ппереходу
в
обратной
(запирающей) полярности, то ток в
цепи управления практически не
протекает (при напряжении 5 В
ток управления не превышает 1010 А).

29.

Полевые транзисторы с изолированным
затвором: Полевые транзисторы с
индуцированным каналом
На рисунке показано устройство полевого транзистора с изолированным
затвором, называемого МДП-транзистором. Это название обусловлено
конструкцией: затвор выполнен из металла (М) и отделен тонким слоем
диэлектрика (Д) от полупроводника (П), из которого сделан транзистор. Если
транзистор изготовлен из кремния, то в качестве диэлектрика используется
тонкая пленка оксида кремния. В этом случае название изменяется на МОПтранзистор (металл-оксид-полупроводник).

30.

Показанный на рисунке транзистор изготовлен на основе пластинки
(подложки, или основания) из кремния с р-проводимостью. На поверхности
пластинки диффузионным способом получены две области с ппроводимостью (исток и сток), разделенные областью п-канала, имеющей
преобладающую р-проводимость.
Вследствие
этого
при
подаче
на
транзистор
напряжения ток
между
истоком и стоком протекать
не будет, ибо переходы стокоснование
и
истокоснование образуют два
встречно
включенных
р-п-перехода,
один
из
которых будет закрыт при
любой
полярности
приложенного напряжения.

31.

Если основание выполнено из п-кремния, исток и сток образованы сильно
легированными областями с р-проводимостями, а в качестве изолятора
используется оксид кремния, то получается МОП-транзистор с индуцированным
р-каналом (с проводимостью р) (рисунок справа).

32.

Полевые транзисторы с изолированным
затвором: Полевые транзисторы со
встроенным каналом
МОП-транзисторы могут быть выполнены со встроенным каналом. Например, на
рисунке слева приведена схема устройства такого транзистора с п-каналом. Основание
выполнено из р-кремния, а исток и сток имеют п-проводимость и получены
диффузионным способом. Исток и сток соединены сравнительно тонким каналом с
незначительной р-проводимостью.
Если основание сделано из п-кремния, а исток и сток - из р-кремния, то транзистор
имеет встроенный р-канал (рисунок справа).
Работу п-канального МОП-транзистора можно пояснить так. Если на затвор подано
отрицательное (относительно основания) напряжение, то электроны проводимости
вытесняются из п-канала в основание, и проводимость канала уменьшается, вплоть до
полного обеднения и запирания канала.
При подаче на затвор положительного напряжения п-канал обогащается электронами, и
проводимость его увеличивается.

33.

Устройство и условные обозначения МОП-транзисторов со встроенным каналом.

34.

Полевые транзисторы бывают обедненного и обогащенного типа. К первым
относятся все транзисторы с р-п-переходом и п-канальные МОП-транзисторы
обедненного типа. МОП-транзисторы обогащенного типа бывают как пканальными, так и р-канальными.

35.

Классификация и характеристики полевых
транзисторов
Транзисторы обогащенного и
обедненного
типа
отличаются
только
значением так называемого
порогового
напряжения,
получаемого экстраполяцией
прямолинейного
участка
характеристики.

36.

Классификация и характеристики полевых
транзисторов
Выходными характеристиками полевого транзистора называются зависимости
тока стока от напряжения сток-исток для различных значений напряжения
затвор-исток.
Полевой транзистор является очень хорошим прибором с точки зрения
выходной проводимости - при постоянном напряжении затвор-исток ток стока
почти не зависит от напряжения (за исключением области малых напряжений
сток-исток). На рисунке показаны типичные зависимости iс от uси для ряда
значений uзи.