Dvikrūviai tranzistoriai

1. Dvikrūviai tranzistoriai

Dvikrūviai tranzistoriai yra trisluoksniai puslaidininkiniai komponentai, turintys dvi PN sandūras ir tris išvadus. Dvikrūviai tranzistoriai gaminami dviejų tipų: NPN ir PNP struktūrų. Išvadai vadinami emiteriu, baze ir kolektoriumi. Dvikrūvių tranzistorių grafiniai schemų ženklai parodyti 1 paveiksle.

2. Konstrukcija ir darbo režimai

Pagal gamybos būdą dvikrūviai tranzistoriai skirstomi į difuzinius, epitaksinius, planariuosius. Planariojo dvikrūvio NPN tranzistoriaus struktūra parodyta 2 paveiksle. Tranzistoriaus išvadai prijungti prie puslaidininkinių kristalų per labai mažos varžos kontaktus. Sandūra tarp emiterio ir bazės vadinama emiterio sandūra, sandūra tarp kolektoriaus ir bazės – kolektoriaus sandūra. Paprastai emiterio sritis labai legiruojama, bazė suformuojama labai plona. Aiškinant veikimo principą, galima remtis paprasčiausiu tranzistoriaus modeliu, kurį sudaro trys NPN sritys ir dvi PN sandūros (3 pav.).

2 pav. Planariojo dvikrūvio NPN tranzistoriaus struktūra

3 pav. Supaprastinta dvikrūvio NPN tranzistoriaus struktūra

3. Tranzistoriaus bendrosios bazės junginys

Tarkim, NPN tranzistorius įjungtas pagal bendrosios bazės junginį ir dirba stiprinimo režimu (4 pav.). Prijungus tiesioginę įtampą prie emiterio sandūros (maitinimo šaltinio minusas prie N srities emiterio ir pliusas prie P srities bazės), iš N srities į P sritį injektuojami elektronai, o iš P srities į N sritį – skylės. Atvirkštine kryptimi įjungus kolektoriaus sritį, susiformuoja plati PN sandūra. Kadangi emiterio sritis labai legiruota, o bazės sritis labai plona, dauguma iš emiterio srities injektuotų į bazės sritį elektronų difunduoja link kolektoriaus srities ir, veikiami kolektoriaus sandūros potencialo barjero, pereina į kolektoriaus sritį. Tik labai maža dalis elektronų rekombinuoja bazėje.

4 pav. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrosios bazės junginys

Norint padidinti statinį emiterio srovės perdavimo koeficientą A, reikia didinti injekcijos ir pernešimo per bazę koeficientus. Injekcijos koeficientą galima padidinti mažinant pagrindinių krūvininkų tankį bazėje ir didinant pagrindinių krūvininkų tankį emiteryje. Pernešimo per bazę koeficientas didėja mažinant bazės storį.

4. Tranzistoriaus bendrojo emiterio junginys

Bendrojo emiterio junginyje tranzistoriaus emiteris yra bendras įėjimui ir išėjimui. NPN struktūros tranzistoriui dirbant stiprinimo režimu tarp kolektoriaus ir emiterio įjungiamas maitinimo šaltinis taip, kad šaltinio teigiamas polius būtų prijungtas prie kolektoriaus, o neigiamas – prie emiterio. Emiterio sandūra bus įjungta tiesiogine kryptimi, o kolektoriaus sandūra – atvirkštine kryptimi.

Tranzistoriaus struktūroje tekės labai silpna srovė, kurią sudarys kolektoriaus ir bazės šalutiniai krūvininkai.

Tarp bazės ir emiterio jungiamas maitinimo šaltinis taip, kad bazės ir emiterio sandūra būtų įjungta tiesiogine kryptimi, t. y. šaltinio teigiamas polius prie bazės, neigiamas – prie emiterio. Šitas šaltinis sukels emiterio ir bazės pagrindinių krūvininkų judėjimą per emiterio sandūrą. Kadangi emiterio sritis labai legiruota, bazės sritis mažai legiruotą be to, bazės sritis plona, tai maža dalis iš emiterio į bazę injektuotų elektronų rekombinuos su bazės skylėmis ir sudarys bazės srovę, dauguma elektronų, judėdami baze, pasieks kolektoriaus sandūrą ir, veikiami kolektoriaus sandūros elektrinio lauko, bus įtraukti į kolektorių. Galima sakyti, kad bazės ir emiterio šaltinio įtampa sudaro palankias sąlygas krūvininkams iš emiterio patekti į bazę, o paskui ir į kolektorių.

Silpna bazės srovė valdo stiprią kolektoriaus srovę: kuo stipresnė bazės srovė, tuo stipresnė bus kolektoriaus srovė.

5. Tranzistoriaus bendrojo kolektoriaus junginys

Kai kolektorius yra bendras įėjimui ir išėjimui, tai išėjimo įtampa

u_ek=u_bk+u_eb;

čia u_BK – bazės ir kolektoriaus įtampa; u_EB – emiterio ir bazės įtampa.

Kadangi emiterio ir bazės įtampa yra labai maža, palyginti su bazės ir kolektoriaus įtampą tai u_EK ≈ u_BK Atitinkamai įtampos stiprinimo koeficientas K_U bendrojo kolektoriaus junginyje yra artimas vienetui. Bendrojo kolektoriaus junginys dar vadinamas emiteriniu kartotuvu arba įtampos kartotuvu, nes emiterio išvade gaunamas išėjimo signalas yra beveik tokios pat amplitudės ir tokios pat fazės, kaip ir į bazę patenkantis įėjimo signalas.

6. Dvikrūvio tranzistoriaus charakteristikos

Bendrosios bazės junginio įėjimo charakteristika i_E = f(u_EB) mažai priklauso nuo kolektoriaus ir bazės įtampos: didėjant kolektoriaus atvirkštinei įtampai, įėjimo srovė stiprėją nes didėja kolektoriaus sandūros storis, plonėja bazė, didėja į bazę injektuotų šalutinių krūvininkų gradientas ir stiprėja per emiterio sandūrą tekanti difuzinė srovė. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrosios bazės junginio įėjimo voltamperinė charakteristika parodyta 5 paveiksle, a

5 pav. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrosios bazės junginio įėjimo (a) ir išėjimo (b) voltamperinės charakteristikos

Bendrosios bazės junginio išėjimo voltamperinės charakteristikos i_K = f(u_KB) parametras yra emiterio srovė. Kai I_E = 0, kolektoriaus grandine teka silpna sandūros atvirkštinė srovė (5.6 pav., b). Tekant emiterio srovei, kolektoriaus srovė sustiprėja ir jos dydis artimas emiterio srovei, nes krūvininkai, injektuoti iš emiterio į bazę, beveik visi pereina ploną bazę, pasiekia kolektoriaus sandūrą ir pereina į kolektorių, kai nedidelė krūvininkų dalis rekombinuoja bazėje. Kolektoriaus srovė nepriklauso nuo kolektoriaus įtampos. Kolektoriaus srovė teka net tada, kai kolektoriaus ir bazės įtampa lygi nuliui. Taip yra todėl, kad ir nesant išorinės įtampos kolektoriaus PN sandūroje susikuria vidinis kontaktinis potencialų skirtumas, kuris ir perkelia šalutinius krūvininkus iš bazės į kolektorių.

Didėjant kolektoriaus įtampai, šiek tiek didėja kolektoriaus srovė, nes, didėjant kolektoriaus atvirkštinei įtampai, plonėja bazė, silpnėja rekombinacinė bazės srovė ir didėja emiterio srovės perdavimo koeficientas. Gerokai padidinus kolektoriaus įtampą kolektoriaus srovė ima sparčiai didėti dėl kolektoriaus sandūros pramušimo.

Bendrojo emiterio junginio atveju įėjimo (bazės) srovė silpnėja, didinant išėjimo įtampą. Didėjant išėjimo įtampai, plečiasi kolektoriaus sandūrą plonėja bazė ir silpnėja rekombinacinė srovė. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrojo emiterio junginio įėjimo charakteristika parodyta 6 paveiksle, a.

6 pav. Dvikrūvio tranzistoriaus bendrojo emiterio junginio įėjimo (a) ir išėjimo (b) voltamperinės charakteristikos

Bendrojo emiterio junginio išėjimo charakteristikos parametras yra bazės srovė (6 pav., b). Tekant bazės srovei ir esant nulinei kolektoriaus ir emiterio įtampai, kolektoriaus srovė netekės, nes bazės potencialas kompensuos kolektoriaus sandūros vidinį kontaktinį potencialų skirtumą. Kai prijungta kolektoriaus ir emiterio įtampą kolektoriaus srovė yra gerokai stipresnė už bazės srovę, nes bendrojo emiterio junginyje srovės perdavimo koeficientas daug didesnis už vienetą. Išėjimo charakteristikos yra beveik horizontalios, o nežymus kolektoriaus srovės didėjimas, didėjant kolektoriaus įtampai, yra paaiškinamas bazės moduliacija arba Erlio reiškiniu. Didėjant kolektoriaus sandūros įtampai, plonėja bazė, iš emiterio į bazę injektuoti krūvininkai greičiau pasiekia kolektoriaus sandūrą ir mažesnė jų dalis rekombinuoja bazėje, stiprėja kolektoriaus srovė. Padidėjus kolektoriaus įtampai, kolektoriaus srovė didėja dėl kolektoriaus sandūros pramušimo (7 pav.).

7. Dvikrūvio tranzistoriaus ribiniai parametrai

Dvikrūvio tranzistoriaus darbą riboja didžiausi leistini parametrai, kuriuos viršijus puslaidininkis sugadinamas. Tranzistoriaus ribiniai parametrai yra šie: didžiausia leistina kolektoriaus srovė I_Cmax; didžiausia leistina kolektoriaus ir bazės įtampa U_Cbmax; didžiausia leistina emiterio srovė I_Emax; didžiausia leistina bazės srovė I_BmaX; didžiausia leistina kolektoriaus ir emiterio įtampa U_Cemax; didžiausia leistina galia P_max:

P_max = i_Ku_KB + i_Eu_EB ≈ i_Ku_KB = P_Cmax

čia P_Cmax – didžiausia leistina kolektoriaus galia.

8. Tranzistorių sudarymo būdai

Pastaruoju metu šiuolaikiniams puslaidininkiniams tranzistoriams gaminti plačiausiai naudojama epitaksinė difuzinė planarioji technologija. Planariųjų tranzistorių visi išvadai suformuojami vienoje plokštumoje. Gaminant planariuosius tranzistorius, kolektoriaus sritis turi gana didelę tūrinę varžą. NPN tranzistoriaus kolektoriaus išvadas yra viršutinėje įtaiso dalyje, todėl didelė kolektoriaus srovės dalis teka išilgai N srities. Taigi susidaro nuosekliai su kolektoriumi įjungta varžą sukelianti papildomą įtampos kritimą ir pabloginanti tranzistoriaus stiprinimo ir perjungimo charakteristikas.

Gerokai sumažinti kolektoriaus srities tūrinę varžą leidžia NPN tranzistoriaus struktūra su paslėptuoju N⁺ sluoksniu. Sis labai legiruoto puslaidininkio sluoksnis suformuojamas lokalinės šiluminės difuzijos būdu P laidumo puslaidininkio pagrinde. Paskui epitaksijos būdu užauginama N laidumo kolektoriaus sritis. Tokia N⁺N kolektoriaus struktūra užtikrina mažą kolektoriaus srities tūrinę varžą mažą kolektoriaus soties įtampą aukštą pramušimo įtampą ir mažą parazitinę talpą.

PNP struktūros tranzistoriai gali būti gaminami keliais būdais, tačiau dažniausiai naudojami horizontaliosios arba šoninės struktūros ir vertikalusis PNP tranzistoriai. Paprasčiausia ir labiausiai paplitusi horizontalioji PNP tranzistoriaus struktūra. Tokio tranzistoriaus kolektoriaus ir emiterio sritys sudaromos difuzijos būdu N laidumo bazės srityje. Bazė sudaroma epitaksijos būdu ir ji yra įprastinio NPN tranzistoriaus kolektorius. Horizontaliojo PNP tranzistoriaus struktūra simetrinė – jo emiterio ir kolektoriaus priemaišų tankiai vienodi. Tokio tranzistoriaus bazė storą todėl mažas srovės perdavimo koeficientas. Be to, blogesnės dažninės charakteristikos, mažesnė kolektoriaus ir bazės pramušimo įtampa.

Kadangi horizontaliojo PNP tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas nedidelis, dažnai naudojama sudėtinio tranzistoriaus struktūrą kur horizontalusis PNP tranzistorius jungiamas su NPN tranzistoriumi. Sudėtinio tranzistoriaus srovės perdavimo koeficientas β = (l + β_NPN )β_PNP, o jo charakteristikos atitinka PNP tranzistoriaus charakteristikas. Sudėtinio tranzistoriaus trūkumai: didesnis plotas, blogesnės dažninės charakteristikos.