Биполярные транзисторы

1.4.1 Устройство и принцип действия

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые.

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими между собой р-п–переходами и тремя или более выводами.

Полупроводниковый кристалл транзистора состоит из трех областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два р-п-перехода. Средняя область обычно выполняется очень тонкой (доли микрона), поэтому р-п-переходы близко расположены один от другого.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника с различными типами электропроводности различают транзисторы р-п-р и п-р-п-типов. Упрощенные структуры и УГО разных типов транзисторов показаны на рисунке 1.23, а, б.

а б

Рисунок 1.23 – Структура и УГО биполярных транзисторов

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. В качестве основного материала для изготовления биполярных транзисторов в настоящее время используется кремний. При этом преимущественно изготовляют транзисторы п-р-п-типа, в которых основными носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в два-три раза выше, чем подвижность дырок.

Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи управляющего электрода – базы. Базой называется средний слой в структуре транзистора. Крайние слои называются эмиттер (испускать, извергать) и коллектор (собирать). Концентрация примесей (а, следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная.

Для иллюстрации физических процессов в транзисторе воспользуемся упрощенной структурой транзистора п-р-п- типа, приведенной на рисунке 1.24. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что р-п-переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот.

В активном режиме (когда транзистор работает как усилительный элемент) к транзистору подключают два источника питания таким образом, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном (рисунок 1.24). Под действием электрического поля источника Е_БЭ через эмиттерный переход течет достаточно большой прямой ток I_Э, который обеспечивается, главным образом, инжекцией электронов из эмиттера в базу Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рисунок 1.24 – Физические процессы в биполярном транзисторе

Поток электронов, обеспечивающий ток I_Э через переход эмиттер – база показан на рисунке 1.24 широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (1 … 5%) рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда – дырками, образуя во внешней цепи базы ток I_Б. Вследствие большой разности концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и базе, нескомпенсированные инжектированные в базу электроны движутся в глубь ее по направлению к коллектору. Вблизи коллекторного р-п-перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого обратносмещенного перехода. А поскольку в базе они являются неосновными носителями, то происходит втягивание (экстракция) электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n-перехода несколько больше тока коллекторного p-n-перехода.

Для тока коллектора можно записать следующее равенство

, (1.9)

где a_ст – статический коэффициент передачи тока эмиттера;

I_КБО – обратный ток коллекторного перехода (тепловой ток) (у транзисторов малой мощности при нормальной температуре составляет 0, 015 ... 1 мкА).

На практике статический коэффициент передачи тока эмиттера a_ст, взависимости от типа транзистора, может принимать значения в диапазоне 0,95 … 0,998.

Ток эмиттера в транзисторе численно является самым большим и равен

, (1.10)

откуда

, (1.11)

где – статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (в справочной литературе используется обозначение h_21Э, обычно принимает значение b_ст = 20 … 1000 в зависимости от типа и мощности транзистора).

Из ранее сказанного следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного (выходного) тока зависит от значений токов эмиттера и базы.

Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (сотни килоом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями, тем самым практически не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки – сотни Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность.

Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной: сплавление, диффузия, эпитаксия. Это в значительной мере определяет характеристики прибора. Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке 1.25. В частности, на рисунке 1.25, а показана структура сплавного, на рисунке 1.25, б – эпитаксиально-диффузионного, на рисунке 1.25, в – планарного, на рисунке 1.25, г – мезапланарноготранзисторов.

Рисунок 1.25 – Способы изготовления биполярных транзисторов

1.4.2 Режимы работы и схемы включения транзистора

На каждый р-п-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки, режим насыщения, активный режим и инверсный режим.

Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный – обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному – обратное (a_ст ® min; используется очень редко).

В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.

Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).

При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками и_вх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а, б) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в) создадут, соответственно, на резисторах R_К и R_Э приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами и_вых.

а б в

Рисунок 1.26 – Схемы включения транзистора

При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.

1.4.3 Вольт-амперные характеристики транзистора

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью статических вольт-амперных характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор, как четырехполюсник, характеризуется входными и выходными статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора).

На рисунке 1.27 показаны статические ВАХ р-п-р-транзистора, включенного по схеме с ОЭ (наиболее часто применяемой на практике).

а б

Рисунок 1.27 – Статические ВАХ биполярного транзистора,

включенного по схеме с ОЭ

Входная ВАХ (рисунок 1.27, а) подобна прямой ветви ВАХ диода. Она представляет собой зависимость тока I_Б от напряжения U_БЭ при фиксированном значении напряжения U_КЭ, то есть зависимость вида

. (1.12)

Из рисунка 1.27, а видно: чем больше напряжение U_КЭ, тем правее смещается ветвь входной ВАХ. Это объясняется тем, что при увеличении обратносмещающего напряжения U_КЭ происходит увеличение высоты потенциального барьера коллекторного р-п-перехода. А поскольку в транзисторе коллекторный и эмиттерный р-п-переходы сильно взаимодействуют, то это, в свою очередь, приводит к уменьшению базового тока при неизменном напряжении U_БЭ.

Статические ВАХ, представленные на рисунке 1.27, а, сняты при нормальной температуре (20 °С). При повышении температуры эти характеристики будут смещаться влево, а при понижении – вправо. Это связано с тем, что при повышении температуры повышается собственная электропроводность полупроводников.

Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, строится семейство выходных ВАХ (рисунок 1.27, б). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только (и не столько, как видно из рисунка) от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Таким образом, выходной вольт-амперной характеристикой для схемы с ОЭ называется зависимость тока I_К от напряжения U_КЭ при фиксированном токе I_Б, то есть зависимость вида

. (1.13)

Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I_К при возрастании выходного напряжения U_КЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: область насыщения, область отсечки и область активной работы (усиления), соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½U_БЭ ½ > 0 и ½U_КЭ½> 0.

Входные и выходные статические ВАХ транзисторов используют при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора р-п-р-типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 1.28, а и 1.28, б соответственно.

а б

Рисунок 1.28 – Статические ВАХ биполярного транзистора для

схемы включения с ОБ

Для схемы с ОБ входной статической ВАХ называют зависимость тока I_Э от напряжения U_ЭБ при фиксированном значении напряжения U_КБ, то есть зависимость вида

. (1.14)

Выходной статической ВАХ для схемы с ОБ называется зависимость тока I_К от напряжения U_КБ при фиксированном токе I_Э, то есть зависимость вида

. (1.15)

На рисунке 1.28, б можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U_КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим насыщения (U_КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

1.4.4 Математическая модель биполярного транзистора

К настоящему времени известно много электрических моделей биполярных транзисторов. В системах автоматизации проектирования (САПР) радиоэлектронных средств наиболее часто используются: модели Эберса-Молла, обобщенная модель управления зарядом Гуммеля-Пуна, модель Линвилла, а также локальные П- и Т-образные модели линейных приращений Джиаколлето.

Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов модели Эберса-Молла (рисунок 1.29), отражающей свойства транзисторной структуры в линейном режиме работы и в режиме отсечки.

Рисунок 1.29 – Схема замещения биполярного транзистора

(модель Эберса-Молла)

На рисунке 1.29 использованы обозначения: r_э, r_б, r_к – сопротивления, соответственно, эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора и контактов к ним; I_б , I_к – управляемые напряжением и_п на входном переходе источники тока, отражающие передачу тока через транзистор; R_эб – сопротивление утечки перехода база-эмиттер; R_кб – сопротивление утечки перехода база-коллектор. Ток источника I_б связан с напряжением на переходе соотношением

, (1.15)

где I_БО – ток насыщения перехода база-эмиттер (обратный ток);

y_к = (0,3 … 1,2) В – контактная разность потенциалов (зависит от типа полупроводникового материала);

т – эмпирический коэффициент.

Параллельно переходу база-эмиттер включены барьерная емкость С_бэ и диффузионная емкость С_дэ перехода. Величина С_бэ определяется обратным напряжением на переходе и_п и зависит от него по закону

, (1.16)

где С_0б – емкость перехода при и_п = 0;

g = 0,3 ... 0,5 – коэффициент, зависящий от распределения примесей в области базы транзистора.

Диффузионная емкость является функцией тока I_б, протекающего через переход, и определяется выражением

, (1.17)

где А – коэффициент, зависящий от свойств перехода и его температуры.

Коллекторно-базовый переход моделируется аналогично, отличие состоит лишь в учете только барьерной емкости перехода

, (1.18)

так как при работе транзистора в линейном режиме и режиме отсечки коллекторного тока этот переход закрыт. Выражение для тока управляемого источника коллекторного тока, моделирующего усилительные свойства транзистора, имеет вид

, (1.19)

где b_ст – статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером.

Параметры модели Эберса-Молла могут быть получены либо расчетным путем на основе анализа физико-топологической модели транзистора, либо измерены экспериментально. Наиболее легко определяются статические параметры модели на постоянном токе.

Глобальная электрическая модель дискретного биполярного транзистора, учитывающая индуктивности и емкости его выводов, представлена на рисунке 1.30.

Рисунок 1.30 – Глобальная модель биполярного транзистора

1.4.5 Основные параметры биполярного транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (то есть при анализе электрических цепей на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 1.31, а). Названия (физическая сущность) входных и выходных токов и напряжений такого четырехполюсника зависят от схемы включения транзистора.

а б

Рисунок 1.31 – Представление биполярного транзистора

линейным четырехполюсником

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером токи и напряжения четырехполюсника (рисунок 1.31, б) соответствуют следующим токам и напряжениям транзистора:

- i₁ – переменная составляющая тока базы;

- u₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

- i₂ – переменная составляющая тока коллектора;

- u₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h-параметры. При этом система уравнений четырехполюсника в матричном виде примет вид

. (1.20)

Коэффициенты h_ij (то есть h-параметры) определяют опытным путем, используя поочередно режимы короткого замыкания и холостого хода на входе и выходе четырехполюсника. Сущность h-параметров для схемы включения транзистора с ОЭ следующая:

- – входное сопротивление транзистора для переменного сигнала при коротком замыкании на выходе;

- – выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе;

- – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе;

- – коэффициент передачи тока транзистора при коротком замыкании на выходе.

Используя схему замещения транзистора, можно найти зависимость h-параметров от параметров транзистора. Вчастности, можно показать, что для схемы включения транзистора с ОЭ имеют место следующие соотношения:

, (1.21)

, (1.22)

, (1.23)

. (1.24)

В приведенных формулах использованы следующие параметры транзисторов:

- r_б – омическое сопротивление тела базы. У реальных транзисторов достигает значений 100 … 200 Ом;

- r_э – сопротивление р-п-перехода, значение которого зависит от режима работы транзистора и меняется в активном режиме в пределах долей – десятков Ом;

- b – дифференциальный коэффициент передачи тока базы, определяемый из выражения

; (1.25)