Определение электронных приборов. Классификация электронных приборов 4 глава

3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1. Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три и более выводов. Действие транзисторов основано на управлении движением носителей электрических зарядов в кристалле полупроводника.

По характеру переноса носителей заряда различают биполярные и полевые транзисторы. В биполярных транзисторах (БТ) в процессах токопрохождения участвуют основные и неосновные носители зарядов, а в полевых (униполярных) – носители одного знака. По числу р-n-переходов транзисторы подразделяются на однопереходные, двухпереходные и многопереходные. Наибольшее распространение среди биполярных транзисторов получили двухпереходные транзисторы.

В транзисторе чередуются по типу проводимости три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа р-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов транзисторов одинаков. По характеру распределения атомов примеси и движению носителей заряда транзисторы разделяются на бездрейфовые и дрейфовые.

Структура и условные изображения транзисторов n-p-n и р-n-p приведены на рис. 3.1, а, б соответственно. Стрелки на рисунке указывают направление прямого тока эмиттерного перехода. В этих структурах существуют два перехода с неодинаковой площадью. Одна из крайних областей легирована сильнее, чем другая. Сильнолегированная область с меньшей площадью называется эмиттером (Э), а другая область – коллектором (К). Средняя область называется базой (Б). К областям эмиттера, базы и коллектора припаиваются невыпрямляющие контакты, служащие выводами эмиттера, базы и коллектора.

б

а

Рис. 3.1

Устройство реального транзистора типа p-n-p представлено на рис. 3.2 а, б.

а б

Рис. 3.2

Рабочей (активной) областью транзистора является область объема структуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (не заштрихована). Остальные участки являются пассивными (паразитными), что обусловлено конструкторско-технологическими причинами. Основные свойства биполярного транзистора определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (1 мкм), меньше диффузной длины неосновных носителей в базе. Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле, и носители совершают в базе только диффузное движение. В случае неравномерного распределения примеси в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. Биполярные транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми. При изготовлении транзисторов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в эмиттере значительно превышала концентрацию носителей в базе. Для защиты транзисторной структуры от воздействия внешней среды кристалл помещают в герметизированный корпус.

При включении транзисторов в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды подаются напряжения от внешних источников, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают схемы включения (рис. 3.3, а, б, в): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В обозначениях напряжений (см. рис. 3.3) вторая буква индекса обозначает общий для входа и выхода схемы электрод.

в

б

а

Рис. 3.3

3.2. Режимы работы биполярных транзисторов

В зависимости от полярности и величины напряжений на электродах различают четыре режима работы транзистора:

Активный режим (АР) — эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Режим отсечки (РО) — оба перехода смещены в обратном направлении.

Режим насыщения (РН) — оба перехода смещены в прямом направлении.

Инверсный режим (ИР) — коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный – в обратном направлении.

Связь режимов работы биполярного транзистора с включением переходов показана на (рис. 3.4).

Рис. 3.4

Классификация режимов проводится по комбинации напряжений переходов. В схеме с ОБ напряжения переходов равны напряжению источников питания эмиттера ( ) и коллектора ( ).

В схеме с ОЭ напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника , а напряжение коллекторного перехода зависит от обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов .

В схеме с ОК напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником , а напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников .

Правило знаков остается прежним.

3.3. Физические процессы в биполярном транзисторе в активном режиме

Принцип работы биполярного р-n-р-транзистора в активном режиме удобно рассматривать на примере схемы с ОБ, т.к. напряжения на переходах совпадают с напряжением источников питания (рис. 3.5), а направление движения дырок в транзисторе р-n-р совпадает с направлением тока.

Так как концентрация дырок в эмиттере значительно больше концентрации электронов в базе, наблюдается значительная инжекция электронов из базы в эмиттер.

Рис. 3.5

Это вызывает протекание дырочного и электронного токов инжекции. Полный прямой ток перехода : .

Полезным в сумме токов будет ток , т.к. он будет участвовать в создании коллекторного тока.

Составляющие , протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается коэффициентом инжекции эмиттера , который показывает, какую долю в полном эмиттерном токе составляет полезный ток. На практике коэффициент инжекции оказывается близким к единице .

Инжектированные в базу из эмиттера дырки повышают концентрацию их в базе у эмиттерного перехода, т.е. вызывают появление градиента концентрации дырок, неосновных носителей базы. Этот градиент концентрации дырок обусловливает их диффузионный перенос через базу к коллекторному переходу. При этом имеет место частичная рекомбинация дырок. Потерю дырок в базе можно учесть введением тока рекомбинации дырок , а коллекторный ток дырок, подходящих к коллекторному переходу , будет равен:

.

Потери на рекомбинацию в базе учитываются коэффициентом переноса ψ:

,

величина которого определяется шириной базы W_б, диффузионной длиной дырок в базовой области и близка к единице.

Поскольку концентрация электронов в базе значительно меньше концентрации инжектированных из эмиттера дырок, вероятность рекомбинации мала и, если диффузионная длина дырок в базе больше толщины базы W_б, основная часть дырок достигнет коллекторного перехода.

Под действием ускоряющего поля коллекторного перехода дырки попадают в коллекторную область, создавая коллекторный ток . Экстракция дырок может сопровождаться ударной ионизацией, лавинным умножением носителей зарядов в коллекторном переходе.

Процесс умножения носителей зарядов в коллекторном переходе оценивается коэффициентом умножения коллекторного тока:

,

где – полный управляемый ток через коллекторный переход.

В плоскостных транзисторах обычного типа .

Тогда , (3.1)

где – это отношение дырочной составляющей коллекторного тока к полному току эмиттера.

Ток коллектора имеет еще составляющую , которая протекает в цепи коллектор – база при (обрыв цепи эмиттера) и не зависит от тока эмиттера. Этот неуправляемый ток коллектора по своей природе аналогичен обратному току полупроводникового диода и называется обратным током коллектора.

Итак, полный ток коллектора . (3.2)

Так как , (3.3)

– статический коэффициент передачи тока эмиттера для схемы с общей базой. Для современных транзисторов величина достигает и больше. Обратный ток коллектора в цепи базы направлен навстречу току , поэтому общий ток базы можно определить:

.

По закону Кирхгофа для общей точки (рис. 3.5):

. (3.4)

Откуда: , или с учетом (3.4) получим:

. (3.5)

Направление тока базы зависит от соотношения между слагаемыми в уравнении (3.5). В активном режиме .

Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом.

В схеме с ОЭ управляющим током будет ток базы. Так как , то ток коллектора запишем в виде:

Обозначим – коэффициент передачи тока базы в схеме с ОЭ; – неуправляемая часть тока коллектора в схеме с ОЭ.

Тогда , (3.6)

где (3.7)

– ток коллектора при нулевом токе базы.

Для схемы с ОК выходным током является ток эмиттера. Поэтому:

.

Аналогично найдем статический коэффициент передачи тока для схемы с ОК:

. (3.8)

Связь эмиттерного и коллекторного переходов обеспечивается базовой областью, т.е. зависит от характера движения носителей в ней. В бездрейфовых транзисторах это движение имеет диффузионный характер и определяется градиентом концентрации носителей в базе, а в дрейфовых транзисторах зависит от имеющегося в базе электрического поля.

3.4. Модель Эберса-Молла

При необходимости анализа работы транзистора в режиме большого сигнала, когда имеют значение его нелинейные свойства, находит применение эквивалентная схема, предложенная Эберсом и Моллом. Она состоит из двух диодов, включенных встречно, и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов (рис. 3.6).

В приведённой схеме источники тока и характеризуют соответственно передачу тока эмиттерного перехода при нормальном включении в коллектор и тока коллекторного перехода в эмиттер при инверсном включении транзистора.

Токи эмиттера и коллектора связаны с внутренними токами соотношениями ; , где – коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении.

Токи через переходы можно записать:

; , (3.9)

где – тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеренные при коротком замыкании на выходе и входе соответственно ( и ).

, .

– это обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые соответственно при обрыве коллектора и эмиттера.

С учетом (3.9) соотношения преобразуются к виду

(3.10)

(3.11)

(3.12)

Из этих выражений можно получить семейство характеристик для конкретной схемы включения транзистора. Так, решая (3.10) относительно , получим выражение для идеализированных входных (эмиттерных) характеристик транзистора при :

. (3.13)

Модель Эберса – Молла описывает поведение транзистора в различных режимах работы, что может быть учтено выбором соответствующей полярности напряжений на переходах транзистора.

3.5. Статические характеристики биполярных транзисторов

в схеме с ОБ

Статические характеристики транзистора отражают зависимость между токами, проходящими в его цепях и напряжениями на электродах транзистора.

За независимые переменные обычно принимают входной ток , выходное напряжение , а за зависимые – выходной ток и входное напряжение :

. (3.14)

Вид характеристик зависит от способа включения транзисторов. Для каждой схемы включения в активном режиме существует своя совокупность семейств характеристик.

Из трех схем включения транзисторов наибольшее применение получили схемы с ОБ и ОЭ.

В схеме с ОБ транзистор имеет следующие характеристики (рис. 3.7, а-г):

– семейство входных (эмиттерных) характеристик (рис. 3.7, а);

– семейство выходных (коллекторных) характеристик (рис. 3.7, б);

– семейство характеристик прямой передачи (рис. 3.7, в);

– семейство характеристик обратной связи (рис. 3.7, г).

Входная характеристика транзистора при представляет с некоторым приближением прямую ветвь вольт-амперной характеристики р-n-перехода.

в г

Рис. 3.7

Увеличение отрицательного напряжения на коллекторе смещает входную характеристику в область больших токов. При постоянном напряжении эмиттера и увеличении напряжения , уменьшается ширина базы и увеличивается градиент концентрации дырок в базе, что приводит к увеличению тока эмиттера.

Выходные характеристики соответствуют выражению

. (3.15)

При и характеристика подобна обратной ветви
р-n-перехода. Коллекторный ток представляет обратный ток коллекторного перехода. При часть инжектированных дырок в базу доходит до коллекторного перехода и создает коллекторный ток при за счёт контактной разности потенциалов. Этот ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения, что соответствует режиму насыщения. Коллекторные характеристики с увеличением тока эмиттера смещаются вверх в соответствии с (3.15).

Область характеристик при и соответствует активному режиму.

Характеристики прямой передачи близки к линейным зависимостям. Тангенс угла наклона характеристики прямой передачи численно равен коэффициенту передачи тока .

Их можно описать зависимостью

. (3.16)

При характеристика линейная и выходит из начала координат. С увеличением характеристика сдвигается вверх, что обусловлено уменьшением рекомбинации носителей в базе за счет уменьшения ширины базы (эффект Эрли).

Характеристики обратной связи имеют незначительный наклон, что свидетельствует о слабом влиянии поля коллектора на токопрохождение в цепи эмиттера. Увеличение коллекторного напряжения сопровождается небольшим ростом градиента концентрации носителей заряда в базе, что вызывает увеличение тока эмиттера. А поскольку характеристики снимаются при постоянном токе эмиттера, они могут быть получены путем перестройки семейства входных характеристик.

3.6. Статические характеристики транзисторов в схеме с ОЭ

Для схемы с общим эмиттером можно аналогично получить семейства статических характеристик:

– семейство выходных (коллекторных) характеристик;

– семейство входных (базовых) характеристик;

– семейство характеристик прямой передачи;

– семейство характеристик обратной связи.

Остановимся на анализе входных и выходных характеристик в схеме с ОЭ (рис. 3.8, а, б).

а б

Рис. 3.8

При (рис. 3.8, а) оба перехода транзистора включаются в прямом направлении, а ток базы равен сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. С ростом прямого напряжения этот ток будет увеличиваться, т.к. увеличивается инжекция в обоих переходах , и соответственно возрастут потери на рекомбинацию, определяющие базовый ток.

При коллекторный переход включается в обратном направлении, и в цепи базы будет протекать ток

. (3.17)

При , а ток базы . Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост эмиттерного тока до величины . Когда , ток базы . При дальнейшем росте ток , ток меняет направление и становится положительным . Увеличение увеличивает напряжение и уменьшает ширину базы (эффект Эрли), что сопровождается снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы.

Выходные характеристики (см. рис. 3.8, б) отражают работу транзистора в схеме с ОЭ в различных режимах. Они начинаются правее начала координат. Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, когда оба перехода включены в прямом направлении , а пологие участки соответствуют активному режиму, когда .

Если («обрыв базы»), то и вольт-амперная характеристика представляет собой обратную ветвь характеристики p-n-перехода. Режим отсечки соответствует области, расположенной под коллекторной характеристикой при . При токах базы и т.д. выходные характеристики смещаются вверх на величину .

На семействе выходных характеристик транзистора в схеме с ОЭ (см. рис. 3.8, б) представлена рабочая область, в которой обеспечивается его безопасная работа при отсутствии значительных искажений. Эта область ограничивается предельными значениями , которые указываются в справочниках.

Напряжение зависит от напряжения пробоя коллекторного перехода, а предельная мощность – от температуры нагрева коллекторного перехода. Нижняя граница определяется величиной обратного тока или режимом отсечки, а левая область при малых значениях – нелинейными искажениями. При нелинейные искажения возрастают.

3.7. Дифференциальные параметры транзисторов.

Системы параметров

Дифференциальные параметры транзистора характеризуют связь между малыми изменениями токов в его цепях и напряжениями его электродов. Критерием малости изменений токов и напряжений является линейность связи между ними, следовательно, дифференциальные параметры не зависят от амплитуды переменных составляющих токов и напряжений. Когда транзистор работает в линейном режиме, удобно пользоваться не характеристиками, а параметрами. В режиме малых сигналов транзистор можно рассматривать как активный линейный четырехполюсник (рис. 3.9). Активным четырехполюсником называют электрическую цепь, состоящую из пассивных элементов (L, R, C) и эквивалентного генератора ЭДС или тока, к входным зажимам которого подключается источник сигнала, а к выходным – нагрузка.

Режим работы при малых сигналах имеет место в усилителях высокой и промежуточной частоты, в предварительных каскадах усиления низкой частоты. В оконечных каскадах усилителей низкой частоты транзистор работает при больших сигналах, поэтому необходимо пользоваться графоаналитическим методом расчета, позволяющим учесть влияние нелинейности характеристик транзистора. При работе транзистора в радиоэлектронных устройствах на его электроды кроме постоянного напряжения питания подают переменные напряжения, а во входной и выходной цепях протекают переменные токи. Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений на электродах транзистора, называют дифференциальными параметрами. Исследование четырехполюсника сводится к измерению его параметров, по которым можно вычислить элементы эквивалентной схемы. Эти параметры измеряются на переменном токе. В соответствии (см. рис. 3.9) возможны шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных, однако практическое применение имеют три варианта, приводящие к системам – параметров. За положительные направления принимают направления токов, втекающих в транзистор. В зависимости от схемы включения транзистора величинам будут соответствовать те или другие реальные токи и напряжения.