バイポーラ接合トランジスタ(BJT)–構造と動作の詳細

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バイポーラトランジスタまたはBJTは、小信号の入力電圧と電流を大幅に大きい出力信号の電圧と電流に増幅または切り替えることができる3端子半導体デバイスです。

バイポーラ接合トランジスタBJTの進化

1904年から1947年の間、真空管は間違いなく好奇心と成長を遂げた電子機器でした。 1904年、真空管ダイオードはJ.A.フレミングによって発売されました。その後まもなく、1906年に、リー・ド・フォレストは、制御グリッドと呼ばれる3番目の機能でデバイスを拡張し、最初の増幅器を作成し、三極真空管と名付けました。



その後の数十年で、ラジオとテレビはチューブビジネスに大きなインスピレーションをもたらしました。製造は1922年の約100万本から1937年には約1億本に増加しました。1930年代の初めに、4元素の四極管と5元素の五極管が電子管事業で人気を博しました。

その後の数年間で、製造部門は最も重要な部門の1つに進化し、これらのモデル、製造方法、高出力および高周波アプリケーション、および小型化の方向で迅速な改善が行われました。



ベル研究所での最初のトランジスタの共同発明者:ウィリアムショックレー博士(着席)ジョンバーディーン博士(左)ウォルターH.ブラッテン博士。 (AT&Tアーカイブの提供。)

しかし、1947年12月23日、エレクトロニクス業界はまったく新しい「関心の方向性」の到来と改善を目の当たりにしました。正午に、ウォルターH.ブラッテンとジョンバーディーンがベル研究所で最初のトランジスタの増幅機能を展示し、証明したことが判明しました。

最初のトランジスタ(点接触トランジスタの形でした)を図3.1に示します。

最初のトランジスタ画像

画像提供: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Replica-of-first-transistor.jpg

チューブとは対照的に、この3ピンソリッドステートユニットの良い面はすぐにわかりました。それははるかに小さく、「ヒーター」や加熱損失なしで動作でき、壊れにくく、強力で、次の点でより効率的でした。電力使用量は、簡単に保存およびアクセスでき、初期のウォーミングスタートを必要とせず、はるかに低い動作電圧で動作しました。

BJTコモンベースpnpおよびnpnのVccおよびVee

トランジスタの構造

トランジスタは基本的に、2つのn型と単一のp型の材料層が使用される3層の半導体材料、または2つのp型と単一のn型の材料層が使用されるデバイスです。最初のタイプはNPNトランジスタと呼ばれ、2番目のタイプはPNPタイプのトランジスタと呼ばれます。

これらのタイプは両方とも、適切なDCバイアスを使用して図3.2で視覚化できます。

私たちはすでにその方法を学びました BJTのDCバイアス 必要な動作領域の確立とAC増幅に不可欠になります。このため、エミッタ側の層は、それほど重要ではないベース側と比較して、より重要にドープされている。

外層は、p型またはn型のサンドイッチ材料と比較してはるかに厚い層で作成されます。上記の図3.2では、このタイプの場合、中央層と比較した全幅の比率は約0.150 / 0.001:150:1であることがわかります。サンドイッチ層上に実装されたドーピングはまた、外側の層よりも比較的低く、通常は10:1またはそれ以下の範囲である。

この種のドーピングレベルの低下は、材料の伝導容量を低下させ、の量を制限することによって抵抗性を高めます。 自由に動く電子または「自由な」キャリア。

バイアス図では、デバイスの端子がエミッターに大文字のE、コレクターにC、ベースにBを使用して示されていることもわかります。今後の説明では、これらの端子にこの重要性が与えられる理由について説明します。

また、BJTという用語は、バイポーラトランジスタの略語として使用され、これら3つの端子デバイスに指定されます。 「双極」という句は、反対に分極した物質に関して、ドーピングプロセス中に関与する正孔と電子の関連性を示します。

トランジスタの動作

ここで、図3.2のPNPバージョンを使用して、BJTの基本的な動作を理解しましょう。電子と正孔の関与が単純に交換された場合、NPNの対応物の動作原理はまったく同じになります。

図3.3に示すように、PNPトランジスタが再描画され、ベースからコレクタへのバイアスが排除されています。誘導されたバイアスのために空乏領域の幅が狭くなっているように見えることを視覚化できます。これにより、 多数キャリア p-からn-タイプの材料に渡って。

BJT、フローマジョリティキャリア、および空乏領域の基本的な動作

図3.4に示すように、pnpトランジスタのベースからエミッタへのバイアスが除去されると、多数キャリアのフローがゼロになり、少数キャリアのみのフローが可能になります。

簡単に言えば、偏った状況では、それを理解することができます BJTの一方のp-n接合は逆バイアスになり、もう一方の接合は順バイアスになります。

図3.5では、両方のバイアス電圧がpnpトランジスタに印加されていることがわかります。これにより、示されている多数キャリアと少数キャリアのフローが発生します。ここでは、空乏領域の幅から、どの接合部が順方向にバイアスされた状態で機能し、どの接合部が逆方向にバイアスされているかを明確に視覚化できます。

図に示すように、かなりの量の多数キャリアが、順方向にバイアスされたp-n接合を横切ってn型材料に拡散することになります。これは私たちの心に疑問を投げかけます、これらのキャリアはベース電流IBを促進するために、またはそれがp型材料に直接流れることを可能にするために重要な役割を果たすことができますか?

サンドイッチされたn型コンテンツが信じられないほど薄く、最小限の導電性を持っていることを考えると、これらのキャリアの非常に少数が、ベース端子全体でこの特定の高抵抗ルートをたどります。

ベース電流のレベルは通常、エミッタ電流とコレクタ電流のミリアンペアではなく、マイクロアンペア前後です。

これらの多数キャリアのより広い範囲は、図3.5に示すように、逆バイアスされた接合部に沿って、コレクタ端子に取り付けられたp型材料に拡散します。

多数キャリアが逆バイアス接合を通過できるこの比較的容易な背後にある実際の原因は、誘導された多数キャリアがn型材料の少数キャリアとして現れる逆バイアスダイオードの例によってすぐに実現されます。

別の言い方をすれば、n型ベース領域材料に少数キャリアが導入されていることがわかります。この知識と、ダイオードの場合、空乏領域のすべての少数キャリアが逆バイアス接合を通過するという事実とともに、図3.5に示すように、電子の流れが発生します。

pnpトランジスタの多数派と少数派のキャリアフロー

図3.5のトランジスタを単一ノードとすると、キルヒホッフの電流法則を適用して次の式を得ることができます。

これは、エミッタ電流がベース電流とコレクタ電流の合計に等しいことを示しています。

ただし、コレクタ電流は、図3.5に示すように、多数キャリアと少数キャリアの2つの要素で構成されています。

ここでの少数電流キャリア要素はリーク電流を構成し、ICO(エミッタ端子が開いている電流IC)として表されます。

その結果、正味のコレクタ電流は次の式3.2で与えられるように確立されます。

コレクタ電流ICはすべての汎用トランジスタでmAで測定され、ICOはuAまたはnAで計算されます。

ICOは逆バイアスダイオードのように動作するため、温度変化に対して脆弱である可能性があるため、特にさまざまな温度範囲のシナリオで動作するように設計された回路では、テスト中に適切に注意する必要があります。そうしないと、結果が大幅に大きくなる可能性があります。温度要因により影響を受けます。

とはいえ、最新のトランジスタの構造レイアウトが大幅に強化されているため、ICOは大幅に削減され、今日のすべてのBJTでは完全に無視できます。

次の章では、コモンベースモードでBJTを構成する方法を学習します。

参照: https://en.wikipedia.org/wiki/John_Bardeen




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