БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя или несколькими р-n-переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода или более.

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

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими р-n-переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя р-n-переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы р-n-р-типа и n-р-n-типа.

Транзисторы, в которых р-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют плоскостными.

Физические процессы в транзисторах. Упрощенная структура плоскостного р-n-р-транзистора показана на рис. 1.17,а , условные обозначения р-n-р- и n-р-n-транзисторов - на рис. 1.17,б.

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, а к другому обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой — эмиттером (Э).

Средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой — коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение транзистора носит название инверсного. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

Типовые конструкции биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рис. 1.18. В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми. Понятие «диффузионный транзистор» отражает основные процессы, происходящие в базе, поэтому его не следует путать с технологическим процессом получения р-n-переходов.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу - сравнительно высокоомной. При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора. Это видно из энергетических зонных диаграмм диффузионного и дрейфового транзисторов, приведенных на рис. 1.19, а, б. Для базы уровень Ферми лежит вблизи середины запрещенной зоны, характеризуемой электростатическим потенциалом , для эмиттера уровень Ферми лежит вблизи потолка валентной зоны , а для коллектора - на несколько большем расстоянии.

В связи с разной концентрацией примеси в базе дрейфового транзистора расстояние между уровнем Ферми и дном зоны проводимости изменяется по длине базы (рис. 1.19,б). Потенциальные барьеры эмиттерного и коллекторного переходов (контактные разности потенциалов) обозначены, как и .

Все положения, рассмотренные ранее для единичного р-n-перехода, справедливы для каждого из р-n-переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый р-n-переход, и результирующие токи равны нулю.

При подключении к электродам транзистора напряжений и , как показано на рис. 1.20, эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном .

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через р-n-переход в область базы (инжекция дырок), а электроны - из области базы в область эмиттера. Однако, поскольку удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей заряда преобладает над электронным потоком. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока р-n-перехода используют коэффициент инжекции

(1.29)

где и - дырочная и электронная составляющие тока р-n-перехода; - полный ток р-n-перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи р-n-перехода электрический заряд, который в течение времени компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника . Аналогично, заряд электронов в эмиттере компенсируется дополнительными дырками, но, так как инжекция дырок приближается к односторонней, эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в базе электрический ток , который направлен из базы.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и внутреннего электрического поля (в дрейфовых), инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся в глубь ее по направлению к коллектору . Если бы база была достаточно толстой (W>3L), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному р-n- переходу, и концентрация их стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного р-n-перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т. е. W<<0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения базы. Большинство дырок, инжектированных в базу, не успевают в ней рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного р-n-перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток, направленный в базу 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 р-n-перехода несколько больше тока коллекторного р-n-перехода. Относительное число неосновных носителей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора, характеризуется коэффициентом переноса

(1.30)

где , - токи коллекторного и эмиттерного переходов, созданные дырками.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный р-n-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации , они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто односторонняя инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода, и ток эмиттера был бы равен току коллектора. В действительности только часть тока эмиттера составляют дырки, и только часть их доходит до коллекторного перехода. Поэтому ток коллектора, вызванный инжекцией неосновных носителей заряда через эмиттерный переход,

; ,

где - коэффициент передачи эмиттерного тока.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неосновными носителями заряда, через р-n-переход, смещенный в обратном направлении, протекает неуправляемый обратный ток . Причины его возникновения те же, что и в единичном р-n-переходе. Поэтому результирующий ток в коллекторной цепи равен

(1.31)

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному р-n-переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному р-n-переходу приложить напряжение, изменяющее по этому закону ток эмиттера.

Эквивалентные схемы транзистора. Эквивалентная схема транзистора показана на рис. 1.21. Каждый р-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный р-n-переход открыт и через него протекает ток , то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Этот ток обеспечивается на эквивалентной схеме генератором . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный р-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току соответствует эмиттерный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллекторного тока.

Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую ( или ):

; (1.32)

Эмиттерный и коллекторный р-n-переходы транзистора аналогичны р-n-переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольт-амперная характеристика определяется так же, как и в случае диода. Однако, если к одному из р-n-переходов приложить напряжение, а выводы второго р-n-перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через р-n-переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределения неосновных носителей заряда в базе. Выражения (1.19), (1.20) примут вид

; , (1.33)

где - тепловой ток эмиттерного р-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного р-n-перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.

Связь между тепловыми токами р-n-переходов , , включенных раздельно, и тепловыми токами , получим из (1.32) и (1.33). Пусть ; тогда и при . Подставив эти выражения в (1.32) для тока коллектора, получим

.

Соответственно для имеем

.

Токи коллектора и эмиттера с учетом (1.33) примут вид

;

. (1.34)

Ток базы на основании закона Кирхгофа

(1.35)

При использовании (1.32) - (1.35) следует помнить, что в полупроводниковых транзисторах в самом общем случае

.

Решив уравнения (1.34) относительно , получим

(1.36)

Это уравнение описывает выходные характеристики транзистора.

Уравнения (1.34), решенные относительно , дают выражение, характеризующее идеализированные входные характеристики транзистора:

(1.37)

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации - рекомбинации, канальные токи и токи утечки. Поэтому токи , , , как правило, неизвестны. В технических условиях на транзисторы обычно приводят значения обратных токов р-n-переходов , , определенных как ток соответствующего перехода при неподключенном выводе другого перехода.

Если р-n-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять соответствующее этому р-n-переходу значение обратного тока, т. е. считать, что , и ,. В первом приближении это можно делать и при прямом смещении р-n-перехода. При этом для кремниевых транзисторов вместо следует подставлять , где коэффициент m учитывает влияние токов реального перехода, .

Уравнения (1.35) и (1.36) позволяют построить семейства входных и выходных характеристик транзистора (рис. 1.22). На выходных характеристиках (рис. 1.22, а) ясно видны две области: активного режима и режима насыщения .

Для активного режима, когда и , выражение для коллекторного тока может быть упрощено и записано в том же виде, который был получен при логическом анализе физических процессов (1.31).

Аналогично можно упростить и выражение для , учитывая, что и :

Таким образом, в идеализированном транзисторе ток коллектора и напряжение эмиттер-база при определенном значении тока не зависят от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. В действительности изменение напряжения меняет ширину базы из-за изменения размеров коллекторного перехода и соответственно изменяет градиент концентрации неосновных носителей заряда. Так, с увеличением ширина базы уменьшается, градиент концентрации дырок в базе и ток увеличиваются. Кроме, этого, уменьшается вероятность рекомбинации дырок и увеличивается коэффициент a. Для учета этого эффекта в выражение (1.31) добавляют дополнительное слагаемое

(1.38)

где - дифференциальное сопротивление запертого коллекторного p-n-перехода.

Влияние напряжения на ток оценивается с помощью коэффициента обратной связи по напряжению

,

который показывает, во сколько раз следует изменять напряжение для получения такого же изменения тока , какое дает изменение напряжения . Знак минус означает, что для обеспечения = const приращения напряжений должны иметь противоположную полярность. Коэффициент , достаточно мал , поэтому при практических расчетах влиянием коллекторного напряжения на эмиттерное можно пренебречь.

Эквивалентная схема реального транзистора для постоянного тока приведена на рис. 1.23. В ней учтено омическое сопротивление базы и дифференциальное сопротивление коллекторного перехода . Последнее достаточно велико, как правило, больше 10⁶ Ом, поэтому его целесообразно учитывать только в случаях, когда в цепь коллектора включены большие сопротивления (больше десятков - сотен кОм). Омические сопротивления областей эмиттера и коллектора достаточно малы (от долей до нескольких Ом), поэтому их можно не учитывать. Омическое сопротивление базы может достигать значения 100 - 200 Ом, и поэтому в общем случае им пренебрегать нельзя.

Инерционные свойства транзистора. При быстрых изменениях входного сигнала, например , проявляются инерционные свойства транзистора. Они обусловлены конечным временем «пролета» носителей заряда через область базы; временем, необходимым на перезарядку емкостей эмиттерного и коллекторного переходов и на установление необходимых концентраций носителей зарядов. В итоге выходной сигнал (ток ) будет иметь искаженную форму. Если у транзистора, работающего в активной области, скачком изменить ток на (рис. 1.24, а), то вначале практически не меняется, а затем начинает нарастать до установившегося значения по сложному закону, увеличиваясь на (рис. 1.24, б).

В инженерной практике чаще всего считают, что изменения выходного сигнала происходят по экспоненте с задержкой на время . Экспоненциальная функция имеет постоянную времени , приблизительно равную времени, в течение которого выходной сигнал достигает 0,63 установившегося значения. Изменения выходного сигнала не соответствуют изменениям входного. Это свидетельствует о том, что коэффициент является функцией времени. Так как данная зависимость достаточно сложная, при практических расчетах ее заменяют более простыми функциями. В большинстве случаев считают, что в операторном виде изменение сигнала происходит в соответствии с выражением

(1.39)

где - статическое значение коэффициента передачи эмиттерного тока; p - оператор Лапласа.

Постоянная времени определяется как

Здесь - предельная частота, на которой коэффициент становится равным 0,7 своего статического значения (уменьшается на 3 дБ).

При необходимости учесть время задержки (1.39) несколько усложняют, вводя в числитель функцию :

Три схемы включения транзистора.В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис. 1.25): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т. е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками . Выходными напряжениями являются переменные составляющие напряжений на резисторах Rк и Rэ.

Для удобства и упрощения расчетов в справочниках приводят статические входные и выходные характеристики для схем включения с ОБ и ОЭ. Входные характеристики для схем с ОБ связывают ток и напряжение на эмиттере относительно базы при постоянном значении напряжения на коллекторе (см. рис. 1.25, а). Выходные характеристики связывают ток и напряжение на коллекторе при постоянном значении тока эмиттера для схемы с ОБ (см. рис. 1.25,а).

В цепях, где транзистор включен по схеме с ОЭ или ОК, удобно пользоваться не коэффициентом передачи эмиттерного тока , а коэффициентом передачи базового тока . Это обусловлено тем, что в подобных случаях обычно задается изменение тока базы. Найдем связь между коэффициентами и . Для этого используем уравнение (1.38) и уравнение токов электродов транзистора, полученное на основе закона Кирхгофа:

(1.40)

После подстановки (1.40) в уравнение (1.38) получим выражение:

,

решив которое относительно имеем

или

(1.41)

где ; ; ; - обратный ток коллекторного перехода при .

Так как , то . У транзисторов, выпускаемых промышленностью, . Падение напряжения на эмиттерном переходе в активном режиме составляет доли вольт, в то время как - несколько вольт. Поэтому в большинстве случаев справедливо допущение, что , с учетом которого уравнение коллекторного тока (1.38) примет вид

(1.42)

Следует обратить внимание на то, что в схеме с ОЭ влияние тока и сопротивления на коллекторный ток увеличивается в раз по сравнению со схемой с ОБ.

Коллекторный ток получается. если . Следовательно, в диапазоне от до транзистор управляется «отрицательным» входным током.

Семейства входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ, приведены на рис. 1.26.

Упрощенная эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме с ОЭ для постоянного тока, показана на рис. 1.27. Она построена в соответствии с рассмотренными ранее физическими процессами, протекающими в транзисторе, и уравнением коллекторного тока (1.42).

Коэффициенты и зависят от тока, протекающего через транзистор, причем эта зависимость во многом определяется технологией, по которой изготовлен конкретный транзистор, и обусловлена процессами рекомбинации в области р-n-перехода, в базе и приповерхностных областях у эмиттерного перехода.

Для инженерных расчетов применяют различные упрощенные аппроксимации зависимости от тока:

;

,

где - коэффициент передачи тока .

Последнюю аппроксимацию целесообразно применять для расчета современных микромощных транзисторов в диапазоне токов А. При этом погрешность расчета находится в пределах 5-20%. Коэффициент значительно меньше зависит от режима работы транзистора. Коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов увеличиваются при повышении температуры окружающей среды.

Зависимость коэффициентов и от режима работы приводит к тому, что дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового токов

не равны соответствующим интегральным коэффициентам передачи, определенным из упрощенных уравнений коллекторного тока:

;

Поэтому при более строгом подходе учитывают различие между дифференциальным и интегральным коэффициентами передачи токов. Найдем связь между этими коэффициентами, для чего продифференцируем упрощенное выражение для коллекторного тока по току :

Но по определению есть дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока и, следовательно,

. (1.43)

Аналогично находят дифференциальный коэффициент передачи базового гика:

(1.44)

Из (1.43) и (1.44) видно, что дифференциальные коэффициенты передачи базового и эмиттерного токов могут быть больше, меньше или равны интегральному коэффициенту. Последнее будет в случае, если пренебречь зависимостями , . В дальнейшем эти зависимости будем учитывать только в специальных случаях.

Инерционные свойства коэффициента находят путем подстановки в выражение изображения . После преобразований имеем

(1.45)

где ; - коэффициент передачи базового тока в области низких частот; - предельная частота при включении транзистора по схеме с ОЭ.

Видно, что частотные свойства транзистора, включенного по схеме с ОЭ, значительно хуже, чем при включении по схеме с ОБ, и , а .

В ряде случаев частотные свойства транзисторов характеризуют не предельными частотами , , на которых модуль коэффициентов передачи уменьшается в раз, а так называемой граничной частотой , на которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице. Найдем . Так как

,

то при

,

Если , то ,и, следовательно,

(1.46)

Приведенные эквивалентные схемы транзистора предназначены для расчетов на постоянном токе, когда требуется выбрать положение рабочих точек, обеспечивающих работоспособность устройства (так называемый режим большого сигнала) .

При анализе усилительных свойств устройств, работоспособность которых уже обеспечена выбором необходимых токов и напряжений, используют эквивалентные схемы для переменного тока, показанные на рис. 1.28,а, б. Так как значения напряжений и токов переменного сигнала обычно значительно меньше, чем постоянного, то параметры транзистора для переменного тока, а также эквивалентную схему часто называют малосигнальными.

Все сопротивления, входящие в эквивалентные схемы, - дифференциальные, за исключением омического сопротивления базы . Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода определяется как

.

Емкости эмиттерного и коллекторного переходов определяются с помощью тех же выражений, что и для диодов и p-n-переходов. Причем емкость в схеме с ОЭ увеличивается в раз. Это вытекает из уравнения (1.42), полученного для коллекторного тока транзистора в схеме c ОЭ. Действительно, при учете емкости запертого коллекторного перехода его сопротивление для переменного тока определяется эквивалентным сопротивлением включенных параллельно сопротивлений и :

.

В схеме с ОЭ сопротивление уменьшается в раз (так же, как это было показано для ):

(1.47)

Следовательно, в схеме с ОЭ

.

Кроме рассмотренного активного режима транзистор может работать в режимах отсечки и насыщения. В режиме отсечки оба перехода транзистора смещены приложенными напряжениями в обратном, а в режиме насыщения - в прямом направлении. В первом случае транзистор закрыт и через электроды его протекают малые токи. Во втором случае падения напряжения на транзисторе малы (доли вольт) и токи через его электроды определяются параметрами внешней цепи. Эти режимы характерны для цепей импульсного действия и подробно рассмотрены в главе 3.

При работе транзисторов, в них возникают шумы, которые могут быть обусловлены: неодинаковым числом электронов и дырок, проходящих через переход в единицу времени (высокочастотные дробовые шумы); тепловым шумом сопротивлений эмиттера, базы и коллектора (тепловые шумы); поверхностными явлениями у переходов (низкочастотные шумы); флуктуациями концентраций подвижных носителей заряда из-за нерегулярности процесса рекомбинаций (низкочастотные рекомбинационные шумы) .

Величина шумов транзистора количественно оценивается коэффициентом шумов

или

где - напряжение тепловых шумов источника сигнала, подключенного ко входу транзистора; - напряжение, которое нужно ввести во входную цепь «нешумящего» транзистора для получения в выходной цепи напряжения, равного напряжению шумов.

h-параметры транзисторов. При любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рис. 1.29), на входе которого действует напряжение и протекает ток , а на выходе - напряжение и ток . Для транзисторов чаще всего используются h-параметры, так как они наиболее удобны для измерений. Система уравнений, показывающая связь напряжений и токов с h-параметрами, имеет вид

Физический смысл соответствующих коэффициентов следующий:

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе;

- коэффициент обратной связи по напряжению;

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

- выходная проводимость при холостом ходе на входе.

По эквивалентной схеме транзистора для переменного тока можно найти, от чего зависит каждый из коэффициентов. Для схем с ОБ и с ОЭ, например, если и и генератор напряжения не учитывать, то

(1.48)

В выражениях (1.48) учтено, что сопротивление базы у реальных транзисторов достигает порядка сотен Ом. Значения сопротивления находятся в пределах долей-десятков МОм, .

Значения коэффициентов h можно определить также с помощью эквивалентной схемы для постоянного тока. Однако наиболее часто представляют интерес только и :

;

они равны интегральным коэффициентам передачи эмиттерного и базового токов.

Для транзисторов в соответствии с ГОСТ 20003-74 задают не коэффициенты , , а равные им в первом приближении параметры и . При анализе цепей с биполярными транзисторами в дальнейшем будем использовать параметры транзистора, выраженные через коэффициенты четырехполюсника. Коэффициенты , будем привлекать лишь для объяснения физических особенностей работы различных полупроводниковых приборов.

Основные параметры биполярных транзисторов:

коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока (дифференциальные коэффициенты передачи)

; ;

дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

;

обратный ток коллекторного перехода при заданном обратном напряжении

об