ИЗУЧЕНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Краткая теория

Структура транзистора

Биполярный (БП) транзистор представляет собой полупроводниковый при­бор с двумя p-n переходами и тремя выводами. Слово “биполярный” в на­звании транзистора означает, что в процессе работы транзистора участ­вуют как основные, так и неосновные носители. БП транзисторы состоят из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимо­сти. Существует две разновидности транзисторов: n-p-n и р-п-р типа.

Транзисторы n-p-n типа состоят из эмиттперного и коллекторного сло­ев электронного полупроводника, разделенных тонким базовым слоем ды­рочного полупроводника.

а б

Рис. 3.1. Транзистор n-p-n типа: а – структура транзистора; б – схемное обозначение

Переход П₁ между эмиттерным и базовым слоями называют эмиттер­ным переходом, переход П₂ между базовым и коллекторным слоями назы­вают коллекторным переходом. Эмиттерный слой полупроводника имеет повышенную по сравнению с базовым и коллекторным слоями концентрацию носителей*. Эмиттерный переход в транзисторе п-р-п типа при прямом сме­щении является инжектором электронов, создающих управляемый ток в транзисторе. Стрелкой на схемном графическом изображении БП транзистора указывается направление тока эмиттера при открытом режиме работы.

Транзисторы р-п-р типа состоят из эмиттерного и коллекторного сло­ев дырочного полупроводника, разделенных тонким базовым слоем электронного полупроводника.

а б

Рис. 3.2. Транзистор р-п-р типа: а – структура транзистора; б – схемное обозначение

Эмиттерный переход в транзисторе p-n-p типа при прямом смещении является инжектором дырок, создающих управляемый ток в транзисторе.

Быстродействие транзисторов определяется подвижностью инжектиру­емых в базу носителей, поэтому в настоящее время транзисторы n-p-n типа более распространены, чем транзисторы p-n-p типа, так как по­движность электронов в германии и кремнии значительно превышает по­движность дырок*. Все дальнейшие рассуждения будут относиться к транзисторам п-р-п типа.

Толщина базового слоя зависит от назначения транзистора данного ви­да и составляет от 1 мкм до 30 мкм в транзисторах разных видов, в любом случае она всегда должна быть значительно меньше диффузионной длины пробега электронов в дырочном полупроводнике (для n-p-n транзи­сторов).

Схемы включения БП транзистора

Транзистор, включенный в электрическую схему, можно рассматривать в качестве четырехполюсника, то есть элемента схемы, имеющего два входных и два выходных электрода. Для питания транзистора необходимы источ­ники входного U_Вх и выходного U_Вых напряжения.

Рис. 3.3. Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из электродов транзистора подключен к об­щему электроду четырехполюсника, различают схемы с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Следует отметить, что физические процессы, происходящие при работе транзистора, определяют­ся напряжениями на переходах транзистора и токами в его электродах и не зависят от схемы включения транзистора.

Принципы работы БП транзистора

Для работы транзистора в статическом режиме необходимо исполь­зовать два источника постоянного напряжения. Рассмотрим транзистор, включенный в статическом режиме работы по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Источник U₁создает прямое или запорное смещение на эмиттерном пе­реходе. Напряжение источника U₂(при работе без нагрузки) перераспреде­ляется между переходами П₁ и П₂. Источник U₂создает прямое смещение на эмиттерном переходе и запорное смещение на коллекторном переходе, вследствие чего сопротивление коллекторного перехода значительно пре­вышает сопротивление эмиттерного перехода. Поэтому практически все на­пряжение U₂падает на коллекторном переходе и слабо влияет на работу эмиттерного перехода.

При отрицательном напряжении между базой и эмиттером (источник U₁подсоединен отрицательным полюсом к базе U₁ ≤ 0) эмиттерный пере­ход П₁

закрыт, ток коллектора равен обратному току коллек­торного перехода I_Кобр. Такой режим работы транзистора называют режи­мом отсечки.

При положительном напряжении между базой и эмиттером (источник U₁подсоединен положительным полюсом к базе U₁ > 0) эмиттерный пе­реход П₁ открыт, в эмиттере протекает ток I_Э. Из-за асимметрии перехода П₁ величина электронной компоненты тока в эмиттерном переходе составляет порядка 99 % от тока эмиттера I_Э (отношение электронной составляющей тока эмиттера к ве­личине тока эмиттера называют коэффициентом инжекции). Некоторая, весьма небольшая, часть инжектированных в базу электронов рекомбинирует в базе с дырками, убыль которых компенсируется током I_б в базовом электроде.

Рис. 3.4. Включение транзистора в открытом статическом режиме по схеме ОЭ

Инжектированные электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, за счет диффузионного движения попадают в область электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода П₂. Откуда электроны, как неоснов­ные носители, перебрасываются полем коллекторного перехода в коллек­торный слой транзистора, создавая управляемую часть коллекторного тока, равную a_стI_Э(a_ст – статический коэффициент передачи эмиттерного тока). Полный ток коллектора складывается из управляемой составляющей a_стI_Э и неуправляемого тока обратно смещенного коллекторного перехода I_Кобр:

I_К = a_стI_Э + I_Кобр. (3.1)

Найдем связь между I_К и I_Б:

I_Э = I_К + I_Б => I_К = a_ст(I_К + I_Б ) + I_Кобр.

Из полученного соотношения выразим I_К:

(3.2)

Введем обозначение

(3.3)

откуда

I_К = b_стI_Б + (1 + b_ст) I_Кобр. (3.4)

В открытом режиме работы транзистора I_Кобр I_Б следовательно

I_К ≈ b_стI_Б. (3.5)

Коэффициент b_стназывают статическим коэффициентом передачи тока базы в схеме с ОЭ.

Входная характеристика транзистора

Вид входной характеристики транзистора определяется схемой включения. В схеме с ОЭ входной характеристикой является зависимость тока базы I_Б от напряжения U_бэ на эмиттерном переходе при фиксированном напряжении U_кэ на коллекторном переходе

I_Б(U_БЭ)|_{Uкэ = const}.

Входная характеристика транзистора имеет сходство с вольт-амперной характеристикой выпрямительного диода, однако крутизна нарастания то­ка базы уменьшается с ростом коллекторного напряжения.

Рис. 3.5. Входная характерист
ика транзистора в схеме с ОЭ:

1 - U_кэ = 0; 2 - U_кэ > 0

Это происходит благодаря эффекту Эрли: обратное смещение на коллек­торном переходе вызывает расширение области отрицательного объемного заряда в базовом слое, вследствие чего происходит уменьшение толщины нейтрального базового слоя. В результате уменьшается количе­ство актов рекомбинации в базе, что в конечном итоге приводит к уменьше­нию тока базы при тех же значениях напряжения на эмиттерном переходе.

Выходная характеристика транзистора

В схеме с ОЭ выходной характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксиро­ванном токе базы

I_К(U_КЭ)|I_Б = const.

При открытом эмиттерном переходе и малых смещениях коллекторного перехода (0 ≤ U_КЭ ≤ 1 В) в области коллекторного перехода наблюдается высокая концентрация электронов, благодаря чему сопротивление коллектора имеет наименьшее значение. Этот режим работы транзистора называют режимом насыщения. В режиме насыщения коллекторный ток связан с током базы соотношением (3.5).

В активном режиме работы (напряжение на коллекторном переходе U_КЭ > 1 В) концентрация электронов в области коллекторного перехода снижается из-за увеличения напряженности поля коллекторного перехода и сопротивление коллектора возрастает. В активном режиме работы сила коллекторного тока слабо увеличивается с ростом U_КЭ. Зависимость I_К(U_КЭ) при I_Б = const в активном режиме работы близка к линейной, ее описывают соотношением

I_К = b_стI_Б + (1 + b_ст) I_Кобр (3.6)

где r_К - дифференциальное сопротивление коллектора:

(3.7)

Рис. 3.6. Выходная характе
ристика транзистора в схеме с ОЭ:

1 - режим насыщения; 2 - активный режим; 3 - режим отсечки; 4 - область пробоя

Приближенно можно полагать, что выходные характеристики транзи­стора для схемы с ОЭ в активном режиме расположены на отрезках пря­мых, веерообразно расходящихся из одной точки на оси напряжений. На­пряжение U_Э,равное по модулю отрезку по оси напряжений от 0 до точки U_Э, называют напряжением Эрли.

При работе транзистора на коллекторе выделяется тепловая мощность Р_К=I_КU_КЭ. Во избежание перегрева транзистора необходимо, чтобы мощ­ность, выделяемая на коллекторе, была меньше максимально допустимой мощности транзистора

I_КU_КЭ≤ Р_{К max} (3.8)

График зависимости I_{К max} = Р_{К max} / U_КЭ показан на рис. 3.6 пунктиром; пунктирная линия отделяет область активного режима (2) от области теплового пробоя (4). Для увеличения Р_{К max} у мощных транзисторов увеличивают теплоотвод от кол­лектора, закрепляя транзисторы на специальных радиаторах – толстых зачерненных металлических пластинах.