Твердотільна електроніка. Біполярні транзистори

1. “ТВЕРДОТІЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА“

Лектор проф. Опанасюк Анатолій Сергійович
Метою вивчення дисципліни є формування у студентів знань у області
напівпровідникових приладів та особливостей їхнього застосування в електронних схемах.
У результаті вивчення дисципліни студенти повинні:
розширити свій науково-технічний кругозір в області елементів електронної техніки;
придбати знання, необхідні інженеру, що займається експлуатацією пристроїв і систем
промислової електроніки.
Після засвоєння матеріалу навчальної дисципліни студент повинен:
ЗНАТИ:
– фізичні принципи роботи приладів твердотільної електроніки що є основою їх функціонування;
– параметри і характеристики різних напівпровідникових приладів і елементів інтегральних мікросхем,
необхідні для забезпечення їх штатних режимів роботи;
- експлуатаційні особливості та можливі застосування;
- типові аналогові та цифрові схемотехнічні рішення.
Опанасюк А.С.
1

2. ОЦІНЮВАННЯ

Курс викладається 2 семестри: модульних циклів - 6
Структура навчальної дисципліни: 378 год./10,5 кредитів (4/6,5)
Лк. – 40 год./20, практ. – 20 год./20 лаб. роб. – 20 год./20
ПМК - 1 семестр, ДСК - 2 семестр
Шкала оцінювання: R=100 балів
Нарахування балів:
присутність на лекції 20 1=20 балів
практичні заняття 10 пр. 1,5 бали/пр.=15 балів
(з них 0,5 балів за присутність на практичному занятті та 1 бал за виконання
завдань)
лабораторні заняття: 5 лаб. зан. 4 бали/лаб. = 20 балів
(1 бал за присутність на лабораторній роботі та 3 бали за захист лабораторної
роботи)
модульні контролі: 3 15=45 балів
2
Опанасюк А.С.

3. ШКАЛА ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ

Сума балів
Оцінка ESTS
Оцінка за національною
шкалою
ДСК або ПСК
залік
90-100
A
відмінно
82-89
B
добре
74-81
C
64-73
D
60-63
E
35-59
FX
1-34
F
зараховано
задовільно
незадовільно не зараховано
Опанасюк А.С.
3

4. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

•Біполярний транзистор (БТ) – це електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним,
двома або кількома p-n переходами, який має три або більше відводів і здатний підсилювати
потужність.
•Робота БТ ґрунтується на тому, що між його переходами існує взаємодія: змінюючи струм одного з
переходів, можна керувати зміною cтруму іншого переходу (струмом через прилад). Малі розміри і
маса, здатність працювати при малих напругах, висока механічна міцність, довговічність і зручність
мікромініатюризації зумовили найширше використання цих приладів у електроніці впродовж останніх
десятиріч.
•КЛАСИФІКАЦІЯ ТРАНЗИСТОРІВ
•За характером перенесення носіїв заряду розрізняють біполярні (БТ) та польові (ПТ) транзистори.
БТ – це здебільшого двоперехідні прилади, у процесі струмопроходження яких беруть участь носії обох
знаків: і основні, і неосновні.
У ПТ струм створюється рухом носіїв одного знака.
•За кількістю переходів розрізняють одноперехідні, двоперехідні та багатоперехідні транзистори. Серед
БТ найбільш поширені транзистори з трьома виводами тобто двох перехідні.
•За типом провідності (послідовність розміщення напівпровідникових областей) розрізняють p-n-p та
n-p-n транзистори.
•За характером розподілу атомів домішок та руху носіїв у базі розрізняють дрейфові та бездрейфові БТ.
•За величиною допустимої потужності, що розсіюється на електродах приладу, транзистори поділяють
на малопотужні (до 0,3 Вт), середньої потужності (від 0,3 до 1,5 Вт) та потужні (більше 1,5 Вт).
•За значенням граничної частоти розрізняють БТ: низькочастотні (до 3 МГц), середньої частоти (від 3
до 30 МГц) та високочастотні (більше 30 МГц).
4

5. СИСТЕМА ПОЗНАЧЕНЬ БТ

•Система позначень сучасних типів транзисторів встановлена ​галузевим стандартом ОСТ 11336.91981. В основу системи позначень покладений літеро-цифровий код.
•Згідно з ГОСТ система позначень транзисторів налічує 6 елементів:
•Перший елемент (цифра або літера) позначає вихідний напівпровідниковий матеріал, на основі якого
виготовлений транзистор.
•Другий елемент (літера) визначає підклас (або групу) транзисторів.
•Третій (цифра) - основні функціональні можливості транзистора.
•Четвертий (​​цифра) - позначає порядковий номер розробки технологічного типу транзистора.
•П'ятий (​​літера) - умовно визначає класифікацію за параметрами транзисторів, виготовлених за
єдиною технологією.
•Шостий (цифра) – додатковий елемент позначення.
Для позначення вихідного матеріалу використовуються
наступні символи:
Г, або 1, - германій або його сполуки;
К, або 2, - кремній або його сполуки;
А, або 3, - сполуки галію (арсенід галію)
.
І, або 4, - сполуки індію
5

6. СИСТЕМА ПОЗНАЧЕНЬ БТ

•Для позначення підкласів використовується одна з двох букв: Т - біполярні і П - польові транзистори
Для позначення найбільш характерних експлуатаційних ознак транзисторів застосовуються такі цифри:
•для транзисторів малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором, не
більше 0,3 Вт):
1 - з граничною частотою коефіцієнта передачі струму або максимальною робочою частотою (далі
граничною частотою) не більше 3 МГц;
2 - з граничною частотою 3 ... 30 МГц;
3 - з граничною частотою більше 30 МГц;
•для транзисторів середньої потужності (0,3 ... 1,5 Вт):
4 - з граничною частотою не більше 3 МГц;
5 - з граничною частотою 3 ... 30 МГц;
6 - з граничною частотою більше 30 МГц;
•для транзисторів великої потужності (більше 1,5 Вт):
7 - з граничною частотою не більше 3 МГц;
8 - з граничною частотою 3 ... 30 МГц;
9 - з граничною частотою більше 30 МГц.
•Для позначення порядкового номера розробки використовують двозначне число від 01 до 99.
•Якщо порядковий номер розробки перевищує число 99, то застосовується тризначне число від 101 до
999.
•В якості класифікаційної літери застосовуються літери російського алфавіту (за винятком 3, О, Ч, И,
Ш, Щ, Ю, Ь, Ъ, Е).
•http://fb.ru/article/136334/markirovka-tranzistorov---kakaya-ona-byivaet-tipyi-parametryi-i-harakteristikitranzistorov-markirovka
6

7. СИСТЕМА ПОЗНАЧЕНЬ БТ

•Стандарт передбачає також введення в позначення ряду додаткових знаків. Як додаткові елементи позначення
використовують такі символи: цифри від 1 до 9 - для позначення модернізацій транзистора, що призводять до зміни
його конструкції або електричних параметрів; буква С - для позначення наборів у загальному корпусі (транзисторні
збірки); цифра, написана через дефіс, для безкорпусних транзисторів:
1 - з гнучкими відводами без кристаллотримача;
2 - з гнучкими відводами на кристаллотримачі;
3 - з жорсткими відводами без кристаллотримача;
4 - з жорсткими відводами на кристаллотримачі;
5 - з контактними майданчиками без кристаллотримача і без відводів;
6 - з контактними майданчиками на кристаллотримачі, але без відводів.
•Приклади позначень транзисторів: ГТ 605А – германієвий біполярний транзистор середньої потужності високої
частоти широкого використання, номер розробки 05, група А; 2Т 144А – кремнієвий біполярний транзистор малої
потужності низької частоти для пристроїв спеціального призначення, номер розробки 44, група А; КТ937А - 2 - кремнієвий
біполярний, великої потужності, високочастотний, номер розробки 37, група А, безкорпусний, з гнучкими відводами на
крісталлотримачі.
•Біполярні транзистори, розроблені до 1964 р. і що випускаються до теперішнього часу, мають систему позначень, що
включає в себе два або три елементи.
•Перший елемент позначення - буква П, що характеризує клас біполярних транзисторів, або дві букви МП - для
транзисторів в корпусі, що герметизуються способом холодного зварювання.
•Другий елемент - дво- або тризначне число, яке визначає порядковий номер розробки і вказує на підклас транзистора за
родом вихідного напівпровідникового матеріалу і значенням допустимої потужності, що розсіюється і граничної частоти:
•від 1 до 99 - германієві малопотужні низькочастотні транзистори; від 101 до 199 - кремнієві малопотужні
низькочастотні транзистори; від 201 до 299 - германієві потужні низькочастотні транзистори; від 301 до 399 кремнієві потужні низькочастотні транзистори; від 401 до 499 - германієві високочастотні і НВЧ малопотужні
транзистори; від 501 до 599 - кремнієві високочастотні і НВЧ малопотужні транзистори; від 601 до 699 - германієві
високочастотні і НВЧ потужні транзистори; від 701 до 799 - кремнієві високочастотні і НВЧ потужні транзистори.
•Третій елемент позначення (у деяких типів він може бути відсутнім) - літера, умовно визначає класифікацію за
параметрами транзисторів, виготовлених за єдиною технологією.
7

8. ЕВРОПЕЙСКА СИСТЕМА PRO-ELECTRON

ЕВРОПЕЙСКА СИСТЕМА PROELECTRON
•Основою позначення у системі Pzo-Electron є п'ять знаків. Прилади для спеціальної або промислової
апаратури позначають трьома літерами, за якими слід порядковий номер розробки, що складається з двох
цифр. Напівпровідникові прилади для побутової апаратури позначають з двох літер, за якими слідує
серійний номер з трьох цифр. В обох випадках технічне значення мають тільки перші дві літери, а решта
вказують порядковий номер або особливе позначення приладу.
•Перший елемент - означає вихідний матеріал (А - германій; В - кремній; С - арсенід галія; D - антімонід
індію; R - сульфит кадмію).
•Другий елемент - визначає підклас приладу (А - малопотужний діод; В - варикап; С - малопотужний НЧ
транзистор; D - потужний НЧ транзистор; Е - тунельний діод; F - малопотужний ВЧ транзистор;
G - декілька приладів в одному корпусі; Н - магнітодіод; L - потужний ВЧ транзистор; М - датчик Холла;
Р – фотодіод, фототранзістор; Q - світлодіод; R - малопотужний регулюючий або перемикаючий прилад;
S - малопотужний перемикаючий транзистор; Т - потужний регулюючий або перемикаючий транзистор;
U - потужний перемикаючий транзистор; Х - помножаючий діод; Y - потужний випрямляючий діод;
Z - стабілітрон).
•Третій елемент - цифри і літери: 100 ... 999 - прилади широкого застосування, Z10 ... A99 - прилади для
промислової і спеціальної апаратури.
•Четвертий елемент і п'ятий елемент - літери і цифри, що позначають - для стабілітронів припустиму зміну номінальної напруги стабілізації (літера) і напругу стабілізації, В (цифра):
А = 1%; В = 2%; С = 5%; D = 10%; Е = 15%.
•Для випрямних діодів, у яких анод з'єднаний з корпусом (R) - максимальну амплітуду зворотної напруги,
В (цифра). Для тиристорів, анод яких з'єднаний з корпусом (R) - менше із значень максимальна напруга
включення або максимальна амплітуда зворотної напруги, В (цифра).
8

9. ЯПОНСЬКА СИСТЕМА JIS-C-7012

•У Японії широко використовується промисловий стандарт J I S асоціацій Electronic
Industries of Japan, який є комбінацією між системами позначень JEDEC і Pro-Electron.
•Умовне позначення складається з п'яти елементів:
•Перший елемент - цифра, позначає вид (клас) напівпровідникового приладу: 0 - фотодіод,
фототранзистор; 1 - діод; 2 - транзистор; 3 - тиристор.
•Другий елемент - літера "S" означає "Semiconductor".
•Третій елемент - літера, що позначає тип приладу: А - високочастотний транзистор з p-np переходом; В - низькочастотний транзистор з n-p-n переходом; С - високочастотний
транзистор з n-p-n переходом; D - низькочастотний транзистор з p-n-p переходом; Е - діод
Єсаки (чотирьохшаровий діод зі структурою p-n-p-n); F - тиристор; G - діод Ганна
(чотирьохшаровий діод зі структурою n-p-n-p); Н - одноперехідний (не інжектуючий)
транзистор; 1 - польовий транзистор з р-каналом; К - польовий транзистор з n-каналом; М симетричний тиристор (семістор); Q - світлодіод; R - випрямний діод; S - слабкострумовий
діод; Т - лавинний діод; V - варикап; Z - стабілітрон.
•Четвертий елемент - позначає реєстраційний номер, починаючи з числа 11 ...
•П'ятий елемент - літера (може бути відсутнім), позначає різні додаткові модифікації - "А"
або "В"
•Шостий елемент - додатковий індекс "N", "М" або "S", що показує ставлення до вимог
спеціальних стандартів. У фотоприладах третій елемент маркування відсутній.
9

10. БУДОВА СПЛАВНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

•Транзистор – це напівпровідниковий монокристал з двома або більше p n переходами.
На рисунку схематично показано будову БТ p-n-p та n-p-n - типів та їх умовне графічне позначення.
•Принцип дії транзисторів обох типів однаковий. Відміна полягає лише в полярності джерел
зовнішньої напруги і в напрямі проходження струмів через електроди. Тому надалі будемо розглядати
тільки транзистори p-n-p-типу, оскільки усі висновки щодо них справедливі і для транзисторів n-p-nтипу.
КП
EП
Емітер
p
n
Колектор
p
База
КП
EП
Емітер
n
p
n
Колектор
База
n
In
Емітер
Вивід бази
Ge
p
p
In
Колектор
Активна
область
бази
Середня область БТ називається базою. р - область, що відділена
від бази p-n переходом з меншою площею, називається
емітером, а сам перехід називається емітерним переходом
(ЕП). Аналогічно до цього, крайня справа p - область
називається колектором, а перехід між ним та базою –
колекторним переходом (КП).
Спосіб виготовлення сплавних малопотужних БТ низької
частоти полягає у наступному.
До пластини кремнію n-типу з малим питомим опором ( = 1-1,5
Ом см) з двох боків притискують два шматочки індію. Потім
пластину поміщають у піч, в якій створюється вакуум до 0,013
Па, і підвищують температуру. Індій розплавляється, розчиняється у сусідніх шарах кремнію і під дією сил поверхневого
натягу набирає форми сферичного сегмента (рис.). Площа
розплавленого індію визначає активну площу p-n переходу.
Після цього здійснюється охолодження всієї конструкції з
постійною
швидкістю.
Внаслідок
цього
відбувається
рекристалізація областей.
10

11. БУДОВА СПЛАВНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

•Шари кремнію, з розчиненим індієм, містять у своїй кристалічній структурі тривалентні
атоми акцепторної домішки і відповідно набувають провідності p-типу. Ці області
утворюють з пластиною n –типу два p-n переходи.
•Менша з акцепторних областей, як правило, використовується як емітер, більша – як
колектор.
•Середня область з провідністю n-типу виконує функцію бази. Частина бази, що
знаходиться безпосередньо між емітером та колектором, через яку проходять носії,
називається активною.
•До областей емітера та колектора припаюють нікелеві дротинки, які утворюють омічні
контакти з індієм і відіграють роль відводів. Гнучкий відвід бази, припаяний до пластини
кремнію, з’єднують з герметизованим металевим корпусом. Відводи емітера і колектора
зварюють з гнучкими металевими стрижнями, які ізольовані від корпусу за допомогою
скляних вставок.
•При виготовленні транзистора здійснюються умови NAE>>NDБ, NAК>>NDБ, тобто робиться
так, щоб концентрація дірок в областях емітера і колектора значно перевищувала
концентрацію електронів у базі.
•Крім того, ширина активної області бази має бути меншою від дифузійної довжини
дірок: d<Lp.
11

12. ВМИКАННЯ І РЕЖИМИ РОБОТИ БТ

•При ввімкненні БТ в електронну схему один його електрод вважають вхідним, другий – вихідним, а
третій, відносно якого вимірюють вхідну і вихідну напруги, - спільним.
•Розрізняють такі схеми вмикання БТ: схема зі спільною базою ССБ (рис. а), схема зі спільним
емітером ССЕ (рис. б) і схема зі спільним колектором ССК (рис. в).
•Залежно від величини та полярності напруг на електродах приладу розрізняють такі режими роботи БТ:
+
-
UЕБ
UКБ
+
UКЕ
+
UЕБ
UЕК
+
-
+
+
-
UБК
Схема вмикання
БТ
Режим відсічки (РВ). Обидва p n переходи вмикаються у зворотному напрямі
(рис. а). Запірні шари переходів розширюються, їх опори зростають, і через переходи
протікають зворотні струми колектора IКБ0 та емітера IЕБ0. Це струми неосновних
носіїв емітерної та колекторної областей – електронів, і оскільки концентрація цих
носіїв невелика, струми ці незначні. Внаслідок різниці площ переходів SКП >SЕП для
сплавних БТ IКБ0 >>IЕБ0. БТ закритий, вихідний струм некерований.
Режим насичення (РН). ЕП і КП вмикаються в прямому напрямі. Дірки
інжектують у базу з емітера і колектора, створюючи великі струми насичення IКнас та
IЕнас, що визначаються рухом основних носіїв р-областей. У базі відбувається
накопичення неосновних нерівноважних носіїв, опір бази і всього БТ різко
знижується. Транзистор у цьому режимі вважають відкритим і насиченим,
вихідний струм – некерованим.
Активний режим (АР). ЕП увімкнено в прямому напрямі, КП – у зворотному.
Полярність напруг на електродах БТ, зображених на рис. в, відповідає цьому режиму.
У колі емітера транзистора протікає струм IЕ за рахунок інжекції дірок з емітера в
базу, а колекторний струм IК залежить від струму емітерного. Це основний режим
роботи БТ як підсилювального приладу, коли вихідним струмом можна керувати
за допомогою зміни вхідного струму.
Інверсний режим. Це також режим керованого вихідного струму, однак ЕП
увімкнено у зворотному напрямі, КП – у прямому.
12

13.

ОСНОВНІ ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ В
БІПОЛЯРНИХ ТРАНЗИСТОРАХ
У робочому режимі біполярного транзистора протікають такі фізичні процеси: інжекція, дифузія,
рекомбінація і екстракція носіїв.
Розглянемо р-n перехід емітер - база за умови, що довжина бази велика. У цьому випадку при прямому
зміщенні р-n переходу з емітера в базу інжектуються неосновні носії.
Закон розподілу інжектованих дірок рn(х) за базою описується таким рівнянням: