Комментарии 44
Всегда вспоминаю фразу из школьного учебника физики, пусть не дословно, но близко к смыслу:
"Понять, как работает транзистор не просто, но его же придумали, значит это возможно."
Ожидал тут увидеть описание "на пальцах" для самых маленьких. Это точно электроника для начинающих? :-)
Тут именно она. Ни тебе моделей, ни ЧАХ, ни паразитных элементов.
Это ещё для начинающий. Чтобы по взрослому описать работу даже не транзистора, а простого резистора надо теорию поля подключать и кучу всяких квантовых эффектов.
Да нет, они начинают лезть даже при объяснении диссипации энергии при протекании тока. Смотри эволюцию моделей от Друде до Друде-Зоммерфельда. Даже в самой первой модели вылезал оператор усреднения такой квантовой величины как импульс электрона.
Опыт Франка Герца наверное самый первый в истории эксперимент, в котором полезли квантовые эффекты по сути был по измерению сопротивления резистора.
Правда резистор был необычный - стеклянная трубка с парами ртути. На такой трубке эффект сильно выражен.
Угу, а еще у резистора есть теплоотдача (максимальная рассеиваемая мощность) - можно пригнать еще и теплофизику , есть прочность корпуса (превед, сопромад) и специальные краски-лаки (органическая химия не для слабонервных).
И класс точности. Погрешность. Тервер. Аминь.
Почему вывод базы делают не по центру?
Коллектор слабее легируется по сравнению с эмитетром, поэтому имеет большее сопротивление и соответственно сильнее нагревается. А с поверхности большей площади тепло рассеивается лучше.
Поэтому размер коллектора делают больше размера эмиттера.
а что мешает легировать коллектор сильнее- тогда у него будет меньшее сопротивление и он будет слабее нагреваться?
дырки из эмиттера в базу затягивает электрическое поле от приложенного между базой и эмиттером напряжение, это вынужденный процесс, регулируемый напряжением базы. Для этого процесса не очень-то и важно, какая площадь контакта между базой и эмиттером. А вот в переход база-коллектор эти дырки попадают за счет диффузии- то есть, случайного хаотического блуждания этих самых дырок по объему базы и повлиять на этот процесс никак нельзя (ну, почти никак). Для того, чтобы экстракция дырок из базы в коллектор была существенной, очень желательно сделать так, чтобы объем обедненного слоя между базой и коллектором был относительно большой, чтобы дырки, плутая по базе- почти гарантированно залезли в этот переход и экстрактировались оттедова. А этого можно достичь, если сделать переход коллектор-база относительно толстым и при этом- большой площади. Вот и получается, что удобная схема реализации транзистора- это крошечный эмиттер с высокой степенью легирования (чтобы инжеция дырок в базу шла, а электронов из базы в эмиттер- почти нет) + слаболегированная тонкая база между эмиттером и коллектором + большой среднелегированный коллектор, окружающий базу с большой площадью контакта база-коллектор, чтобы хорошо экстрактировать неуправляемые дырки из базы. Собственное сопротивление коллектора не столь важно, так как в коллектор поступают избыточные заряды из эмиттера, и чем их больше поступает- тем больше растет его проводимость, + проводимость растете при нагреве (за счет собственной генерации электронно-дырчных пар). Обратите внимание, что весь ток, втекающий в коллектор- перед этим протек через базу. А сопротивление базы-то вообще по сравнению с коллектором на порядки выше, но ее тепловыделение Вас почему-то не интересует. А потому, что размеры всего устройства- доли миллиметра. на таких размерах не важно, что именно выделяет тепло- эмиттер, коллектор или база.
а что мешает легировать коллектор сильнее- тогда у него будет меньшее сопротивление и он будет слабее нагреваться?При сильнолегированном коллекторе сложнее регулировать толщину базы, а значит будет ниже выход годных и выше разброс параметров от чипа к чипу.
Кроме того, при слаболегированном коллекторе ниже паразитная емкость база-эмиттер.
Кроме того, базу в коллекторе и эмиттер в базе обычно создают перекомпенсацией, поэтому уровень легирования базы обязан быть существенно ниже, чем у эмиттера, а у коллектора — ниже, чем у базы.
Для этого процесса не очень-то и важно, какая площадь контакта между базой и эмиттером.Неверно, эффекты плотности тока существуют и должны учитываться.
А вот в переход база-коллектор эти дырки попадают за счет диффузииНе обязательно диффузии, можно использовать и дрейф.
Для того, чтобы экстракция дырок из базы в коллектор была существенной, очень желательно сделать так, чтобы объем обедненного слоя между базой и коллектором был относительно большойНеверно. Нужно делать тонкую базу, а не широкий обедненный слой.
проводимость растете при нагревеЭто опасный эффект, с которым борются.
А сопротивление базы-то вообще по сравнению с коллектором на порядки выше, но ее тепловыделение Вас почему-то не интересует.Вы путаете входное сопротивление базы с сопротивлением базового слоя транзистора. Не стоит этого делать.
Неверно, эффекты плотности тока существуют и должны учитываться.
понятно, что там куча всяких эффектов должна учитываться, но это не отменят того факта, что основной принцип инжекции- вынужденное перемещение носителей из эмиттера в базу под воздействием внешнего электрического поля через открытый переход, и для этого процесса размер эмиттера, ширина перехода между эмиттером и базой и все остальное- не является определяющими факторами (хотя и могут быть значимыми для достижения наивысших характеристик конечного изделия).
Не обязательно диффузии, можно использовать и дрейф.
можно, только НЯП, диффузия за счет градиента плотности дырок в базе на порядки выше дрейфа поперек базы за счет разности потенциалов между эмиттером и коллектором. Рост коллекторного тока при росте Ucb объясняют эффектом Эрли, а не увеличением дрейфа.
Неверно. Нужно делать тонкую базу, а не широкий обедненный слой.
я не говорил, что обязательно делать широкий слой, я сказал, что объем этого слоя относительно полного объема базы должен быть большой, имея в виду, что он должен накрывать большую часть базы, не оставляя свободного места для дрейфа носителей по базе куда не надо дрейфовать. Не совсем аккуратная формулировка, но и требование просто тонкой базы тоже не очень точное. у меня в базе три конкурирующих процесса: дрейф дырок из эмиттера в электрод базы под действием Ueb, рекомбинация дырок из эмиттера с электронами базы и диффузия дырок из эмиттерного перехода (который у меня рассосался, кстати, от прямого напряжения) за счет градиента плотности распределения этих самых дырок в базе. Первые два процесса увеличивают ток базы и уменьшают бету. А мне надо, чтобы за то время, пока дырки дрейфуют от эмиттера через базу к электроду базы они успели сдиффундировать до зоны действия коллекторного перехода, который их экстрактирует. Для этого нужно сделать так, чтобы этот самый переход начинался как можно ближе к границе эмиттер-база, и чтобы дрейфовать вдоль базы им было не так чтобы много места где. А этого можно добиться и увеличением ширины перехода КБ, и уменьшением полной толщины базы, и более того- можно вообще сделать базу длинной-длинной, эмиттер посадить на один ее конец, электрод базы- на другой, а коллектор- поставить по обочинам этой трассы- тогда за время дрейфа зарядов по длинной толстой базе они все равно сдиффундируют на ее бочины к коллектору и экстрактируются (и такой подход используется в ИМС ОУ). в общем-то оба этих подхода и используются.
Это опасный эффект, с которым борются.
Это не отменяет того, что он увеличивает проводимость коллектора.
Вы путаете входное сопротивление базы с сопротивлением базового слоя транзистора. Не стоит этого делать.
нет, не путаю. Я именно про сопротивление материала самой базы говорил (базового слоя). Весь ток коллектора прежде чем попасть в коллектор протек через базу, а еще ранее- через эмиттер. И если в эмиттере носителей много, то база-то обедненная, проводимость ее низкая. А этот ток выделял тепло и там, и там. Причем, эмиттер имел самую высокую плотность тока и большое локальное тепловыделение. Поэтому нельзя говорить, что коллектор делается большой для съема тепла. Он большой для обеспечения эффективной экстракции, но так как он получился большой- съем тепла с него делать удобно- и то, не всегда, иногда съем тепла удобнее делать вообще с подложки, как у тех же самых ОУ- и пофиг им, где и каких размеров там коллекторы.
эмиттерного перехода (который у меня рассосался, кстати, от прямого напряженияС чего бы? Там вполне себе понятной и довольно большой ширины обедненная область в нормальных обстоятельствах.
база-то обедненнаяС чего бы?
проводимость ее низкаяС чего бы?
Поэтому нельзя говорить, что коллектор делается большой для съема тепла.Окей, давайте сделаем один шаг дальше. Коллектор должен выдерживать довольно большое обратное напряжение, для этого ему нужен длинный обедненный (в идеале вообще не легированный) слой. Чтобы этот слой не имел большого сопротивления, он должен иметь большое сечение. Чтобы обеспечить это сечение, коллектор дискретных транзисторов обычно делают на обратной стороне кристалла.
иногда съем тепла удобнее делать вообще с подложки, как у тех же самых ОУ- и пофиг им, где и каких размеров там коллекторы.Вообще не пофиг, это много и подробно анализируется. Съем тепла с подложки делается потому, что к другим частям кристалла гораздо сложнее подобраться с теплоотводом, а не потому, что этот вариант чем-то действительно хорош.
Кроме того, в отличие от коллектора, до базы и эмиттера идут внутри корпуса проволочные соединения, у которых есть индуктивность. Наличие такой индуктивности на коллекторе создало бы кучу проблем, а на базе и эмиттере они не так критичны.
Смотря у кого :) У маломощных германиевых "МПшек" база была единым целым с корпусом.
Тогда переходы растили от базы в обе стороны по сплавной технологии, если не ошибаюсь. Если спилить верх шляпки (достаточно популярная операция в то время для получения фототранзистора), то видно, как перпендикулярно припаяна пластинка с кристаллом к корпусу транзистора, и от нее в обе стороны отходят проводники к отводам коллектора и эмиттера
Понимание работы биполярного транзистора (особенно схем его включения и диаграм характеристик) было чем-то вроде недосягаемой вершины для моего разума, которому легче даются вещи имеющие интерактивное, наглядное представление. И однажды (может быть года полтора назад) наткнулся на очень удобный и нежно обожаемый браузерный симулятор электрических цепей, который имеет возможность рисовать осцилограммы и динамические графики ВАХ.
Вот с ним в общих чертах удалось разобраться и наглядно увидеть режимы работы каскадов и транзистора. Особенно радостно было когда вдруг паззл сложился и стало понятно почему у эмиттерного повторителя высокое входное сопротивление и откуда оно возникает. Инструмент хорош тем, что предоставляет сколь угодно большое количество индикаторов и приборов, например вот как может выглядеть лабораторная работа: https://coub.com/view/2mm4vr
А вот тут ссылка на сам симулятор: http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html
Спасибо! Ох, как мне этого в школе и универе не хватало...
А вот приложение EverCircuit с аналогичными (если не превышающими) возможностями под андроид.
Спасибо за статью. Если изменение h21e с изменением напряжения Uce связано с эффектом Эрли, то чем можно объяснить его снижение с ростом Ik? Есть ли подходящая мат.модель?
рост Ik вызывает рост температуры всего транзистора, что приводит к увеличению термогенерации электронно-дырочных пар в базе и эмиттере, в результате чего из базы в эмиттер начинает поступать больше носителей заряда, в результате чего увеличивается ток базы при постоянном токе эмиттера, что приводит к снижению коэффициента \alfa, и как следствие- падению h21e.
Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.Какого года книга, из которой сделана выжимка? Судя по отсутствию даже упоминаний интегральных схем — что-то из конца пятидесятых. За шестьдесят лет с тех пор наука и техника несколько спрогрессировали.
Но учить студентов продолжают вот по такому полвека назад устаревшему хламу, а потом все удивляются, как же так вышло, что российская микроэлектроника пребывает в таком плачевном состоянии?
А что есть почитать более менее современное?Титце-Шенк недавно в очередной раз переиздали. Плюс, может быть полезно почитать книги по основам дизайна интегральных схем — Аллена-Холберга или Разави.
а в SiC, GaN, GaAs или любом другом полупроводнике какие-то другие процессы идут? дырки веру меняют или p-n переход как-то по особому себя ведет? Физические принципы работы никак не изменились ни от внедрения SOI, ни от напряженного кремния, ни от внедрения .
а в SiC, GaN, GaAs или любом другом полупроводнике какие-то другие процессы идут?Учитывая, что транзисторы на GaN — это HEMT, да, процессы там довольно сильно отличаются.
Физические принципы работы никак не изменились ни от внедрения SOIВ FDSOI добавляется очень много нюансов. Это не говоря о том, что современному дизайнеру гораздо менее полезно знать устройство биполярного транзистора, чем устройство полевого.
ну, тогда надо не HEMT учитывать, а то, что GaN-транзисторы это полевые транзисторы. Биполярники из GaN и SiC никто не делает, ибо нафиг не надо. В этом смысле да- там совсем другие принцыпы, и их будут изучать студенты сразу после изучения принципов устройства биполярных транзисторов.
а зачем дизайнеру вообще знать устройство транзистора? это ему как-то поможет рисовать?
как связаны физические принципы работы биполярных транзисторов и российская микроэлектроника с ее состоянием? Зачем при объяснении принципов работы транзисторов упоминать интегральные микросхемы? За шестьдесят лет наука о работе транзисторов спрогрессировала так, что они теперь работают совсем иначе, нежели во времена Шокли? А Вас не смущает, что в студенты изучают теорему Пифагора, ведь за две тысячи лет наука спрогрессировала страшно представить как, и не нужно уже студентов учить такому старью?
как связаны физические принципы работы биполярных транзисторов и российская микроэлектроника с ее состоянием?Да так, что подавляющее большинство современных микросхем — это КМОП, а в российских университетах до сих пор массово про ТТЛ рассказывают.
А Вас не смущает, что в студенты изучают теорему Пифагора, ведь за две тысячи лет наука спрогрессировала страшно представить как, и не нужно уже студентов учить такому старью?Теорема Пифагора гораздо более актуальна сегодня, чем сплавные биполярные транзисторы из германия.
в моих ВУЗах последовательно рассказывали про полупроводники, p-n переход, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, принципы работы основных схем усилительных каскадов, РТЛ, ДТЛ, ТТЛ, КМОП, общие принципы технологий производства ИМС на этих типах логики, логические элементы на основе этих типов логики, триггеры на них, регистры из этих триггеров и т.д. И все это не имеет почти никакого отношения к производству микроэлектроники, потому что производство- это вообще не про физику. Но те, кто занимается разработкой этой самой микроэлектроники (а они у нас в стране есть, как ни странно, и с GaAs тоже вполне себе умеют работать)- искренне считают, что не понимая основ, заложенных в 50-х годах прошлого века- в производстве микроэлектроники делать нечего. И чем Вам не нравятся сплавные транзисторы? Вся силовая электроника на них крутится, и не ноет, не одними интегральными схемами жив человек.
Но те, кто занимается разработкой этой самой микроэлектроники (а они у нас в стране есть, как ни странноНапример, я.
искренне считают, что не понимая основ, заложенных в 50-х годах прошлого века- в производстве микроэлектроники делать нечего.Понимать основы — надо. Учить основам на давно устаревших и далеких от современной действительности примерах — не надо. Примеры для вводных и ознакомительных занятий нужно подбирать максимально адекватные, а не сдувать пыль с артефактов полувековой давности.
чем Вам не нравятся сплавные транзисторы? Вся силовая электроника на них крутитсяВы точно не из семидесятых на машине времени приехали? Вся современная силовая электроника крутится на сложных структурах, получаемых при помощи гетероэпитаксии, фотолитографии и большого набора других операций, а вовсе не на сплавных транзисторах.
Например, я.
Извините, ради бога, что я встреваю в дискуссию. Я старый радиолюбитель - но не более того. Но вот со студентами и школьниками иногда имею дело. Прекрасно знаю этот чудесный эффект: приходит очень хороший специалист, начинает объяснять свой предмет, всё правильно (он же спец), с актуальными примерами. А в аудитории мухи на лету дохнут от тоски. Масса деталей (важных), все нюансы отмечены, только никого ужЕ нет в живых.
Вы не обижайтесь, я уверен, что Вы отменный мастер своего дела. И я тут вовсе не хочу судить. Но у коллеги Tiriet'а объяснять получается. Мне интересно. Есть иллюзия понимания и желание продвинуться дальше. Нюансы и важные детали - потом. При наличии интереса я сам до них доберусь. А вот если никого нет в живых - кто доберётся? Даже с Вашей помощью? Вот процесс (ужас!) обучения - он такой. Препод бубнит - студент смотрит в окно и изучает поведенческие особенности ворОн. Примеры актуальные. А понятной простой интересной затравочной картинки не случилось. Пусть даже слегка архаичной.
Поясните, желательно "на пальцах", почему при изменении базового тока меняется выделяемая на коллекторе активная мощность? Вроде вопрос глупый, но ведь кристалл остаётся тем же, меняется количество носителей заряда (квазичастиц дырок или электронов), но условия в которых они проделывают свой путь не изменяются. Или изменяются? Спасибо.
Как объясняют в популярных книгах при прохождении тока через проводники с высоким сопротивлением электроны "натыкаются" на атомы материала и передают им часть энергии. А в полупроводнике каков механизм выделения тепла при протекании тока?
Мда, 20 лет назад у меня была 5 по "Физическим основам электроники". Сейчас смотрю как на китайские иероглифы. Нет, в общем теорию помню, если напрячься, то даже снова пойму, но с ходу это мрак и ужас.
Какое то странное изложение и не очень понятно, на кого ориентировано.
Для практического расчета подавляющего количества схем вполне достаточно модели Эберса-Молла со следующими упрощениями:
Активный режим - ток эмитера есть ток базы, умноженный на коэффициент усиления, напряжение база-эмитер равно напряжению открывания.
Инверсный активный режим - ток коллектора есть ток базы, умноженный на инверсный коэффициент усиления, напряжение база-коллектор равно напряжению открывания.
Насыщение - напряжение коллектор-эмитер равно напряжению насыщения, напряжения база-эмитер и база-коллектор равны напряжению открывания.
Отсечка - все токи равны нулю.
Ну и, конечно, законы Ома и Кирхгофа.
Похоже на то что это вырезка (кусок) какого-то другого труда, возможно книги.
Начинаем читать:
Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие
Думаю....так,.... что-то я пропустил...что такое лямбда? <Вроде только начал читать и уже пропустил важное...>....потом понял это текст такой...автор неудосужился расшифровать.
Во времена моей учебы в ВУЗах (военный и гражданский), обязательным и непременным условием при описании (или сокращении/обозначении) любых величин, а уж тем более формул с ними подробное описание откуда это взялось и что это.
И дааа.....я знаю что такое биполярный транзистор (первое образование инженер радиолокации, второе выч. комплексы системы и сети), а статью пытался прочитать скорее для интереса как худ. книгу...
Автор, если тыришь откуда-то - давай отсылку, а если пишешь сам, то пиши для школьников, именно они целевая аудитория я так понимаю....в данном манускрипте школьники ничего не поймут, а если целевая аудитория постарше - они возьмут более достойный источник знаний, где нет пропусков с описанием величин.
"Расстояние между металлургическими границами переходов"
Точно металлургическими?
Для начинающих насчёт схем включения транзистора я бы добавил, что:
База не может быть выходом.
Коллектор не может быть входом
А также стоит проговорить применение разных схем включения, например:
Схема с ОБ не может усиливать по току, т.к. ток входа (эмиттера) практически равен току выхода(коллектора). Такой каскад является самым высокочастотным и хорошо усиливает по напряжению, часто применяется в СВЧ-усилителях. Фаза сигнала на входе совпадает с фазой на выходе. т.е. каскад не инвертирующий. Входное сопротивление каскада маленькое, в выходное - большое.
Схема с ОЭ усиливает и по току, и по напряжению, таким образом, позволяет получить максимальное усиление по мощности. Например, такие схемы часто встречаются в выходных каскадах звуковых усилителей. Данный каскад инвертирует фазу сигнала на 180 градусов. Входное сопротивление большое. выходное - маленькое. Для открытия транзистора требуется смещение базы, иначе слабый сигнал не будет усилен. Для кремниевых транзисторов это напряжение порядка 0,6В. Для германиевых 0,2В (они сейчас вообще используются?)
Схема с ОК обладает большим усилением по току, по напряжению не усиливает. Входное сопротивление большое. выходное - маленькое. Фаза входгого и выходного сигнала совпадают. Данная схема применяется в качестве входных усилителей, для согласования высокоомного источника с низкоомной нагрузкой. Такую схему называют эмиттерный повторитель.
Биполярный транзистор