Биполярный транзистор

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами и тремя выводами. Таким образом, в биполярном транзисторе используются одновременно два типа носителей зарядов - электроны и дырки (отсюда и название - биполярный).

Биполярный транзистор содержит два р-n-перехода, образованных тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы р-n-р- и n-р-n-типа. На рис. 10.0, 6, 7. показаны условные графические обозначения биполярного транзистора.

Работа биполярного транзистора основана на взаимодействии двух р-n-переходов. Это взаимодействие обеспечивается тем, что толщину b средней области транзистора (базы), разделяющей переходы, выбирают меньше длины свободного пробега (диффузионной длины) L носителей заряда в этой области (обычно b<< L).

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере транзистора n-р-n-типа, для которого концентрация основных носителей в n-области существенно выше, чем в р-области. Для данной структуры (рис. 10.6) n-область, которая будет инжектировать электроны в соседнюю р-область, (левую n-область) называют эмиттером, правую n-область, которая в дальнейшем должна экстрактировать находящиеся в соседней р-области электроны, называют коллектором, а среднюю область - базой. Соответственно примыкающий к эмиттеру р-n-переход (П1) называют эмиттерным, а примыкающий к коллектору (П2) - коллекторным. Металлические выводы, привариваемые или припаиваемые к полупроводниковым областям, называют соответственно эмиттерным, коллекторным и базовым выводами.

Приложим к эмиттерному переходу прямое (U_БЭ), а к коллекторному - обратное напряжение (U_КБ). В результате через эмиттерный переход П1 в область базы будут инжектировать электроны (инжекцией дырок из области базы в эмиттерную

Рис. 10.6. Схема распределения токов в транзисторе n-p-n-типа

область пренебрегаем), образуя эмиттерный ток транзистора I_Э. Поток электронов, обеспечивающий ток I_Э через переход П1 показан на рис. 10.6 широкой стрелкой.

Часть инжектированных в область базы электронов рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда - дырками, образуя ток базы I'_Б (см. рис. 10.6). Другая часть инжектированных электронов, которая достигает коллекторного перехода (П2) с помощью электрического поля, создаваемого напряжением U_КБ, экстрактируется в коллектор, образуя через переход П2 коллекторный ток I'_К. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход (а следовательно, и коллекторного тока) по сравнению с потоком дырок через эмиттерный переход можно учесть следующим соотношением:

(10.3)

где α=0,95…0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Через запертый коллекторный переход будет создаваться обратный ток I_КБ0, образованный потоком из n- в p-область неосновных для коллекторной области носителей заряда - дырок, который совместно с током I'_К, образует выходной ток транзистора

, (10.4)

и ток в базовом выводе

(10.5)

С учетом (10.3) равенство (10.4) примет вид

(10.6)

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа и, как видно из рис. 10.6, представляет собой базовый ток

(10.7)

Из (10.6) и (10.7) получаем

(10.8)

где β=α/(1-α) - коэффициент передачи базового тока.

Учитывая приведенные ранее значения, становится очевидным, что β>>1. Из выражений (10.6) и (10.8) следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного тока зависит от значений токов эмиттера и базы. При этом значение тока коллектора существенно зависит от эффективности взаимодействия двух р-n-переходов, которое, в свою очередь, обеспечивается соотношением b<<L, позволяющим уменьшить рекомбинацию инжектированных в область базы носителей заряда.

Уменьшению рекомбинации инжектированных в область базы носителей заряда, (а следовательно, повышению эффективности взаимодействия двух р-n-переходов) способствует также значительно меньшая концентрация основных носителей заряда в области базы по сравнению с концентрацией их в эмиттерной области. Если концентрация примесей по всему объему базового слоя одинакова, т. е. база однородна, то движение носителей заряда в ней (при отсутствии приложенного к транзистору внешнего напряжения) носит чисто диффузионный характер. Если же база неоднородна, то за счет образовавшегося в ней внутреннего электрического поля движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом носителей заряда в этом поле. Транзисторы с однородной базой называются диффузионными, а с неоднородной - дрейфовыми. Последние обладают лучшими частотными свойствами и получили наибольшее распространение.

Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (несколько МОм). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями, не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность. Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки 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.

С другой стороны, малые значения входного напряжения (прямое смещение эмиттерного перехода, составляющее десятые доли вольт) и большие значения выходного напряжения (обратное смещение коллекторного перехода, составляющее десятки вольт) указывают на то, что этот управляемый нелинейный элемент может применяться для усиления напряжения.

В зависимости от напряжений , приложенных к переходам биполярного транзистора, существует четыре режима его работы:

1) Активный (Рис. 10.7, а) (на эмитерный переход подано прямое напряжение, на коллекторный - обратное). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

2) Инверсный (Рис. 10.7, б) (на эмитерный переход подано обратное напряжение, на коллекторный - прямое). Этот режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока эмиттера по сравнению с работой в нормальном режиме и поэтому на практике применяется редко.

3) Насыщения (Рис. 10.7, в) (оба перехода находятся под прямым напряжением). Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

4) Отсечки (Рис. 10.7, г) (оба перехода находятся под обратными напряжениями). Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

a) б) в) г)

Рис. 10.7. Режимы работы биполярного транзистора: а - активный режим, б - инверсный режим, в - режим насыщения, г -режим отсечки

Схемы включения и основные параметры. Биполярный транзистор как усилительное устройство может быть представлен в виде четырехполюсника. У линейного четырехполюсника связь между входными и выходными токами и напряжениями выражается системой двух линейных уравнений. В электронике наибольшее распространение получила система h- параметров четырехполюсника, выражаемая уравнениями:

В зависимости от того, какой из трех выводов транзистора является общим для входа и выхода четырехполюсника, различают схему включения транзистора с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Схема, приведенная на рис. 10.6, представляет собой схему включения транзистopa с ОБ.

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются:

коэффициент усиления по току

коэффициент усиления по напряжению

коэффициент усиления по мощности

входное сопротивление

выходное сопротивление

Выполнив расчет указанных параметров транзистора для каждый из схем его включения, получают значения, представленные в табл. 10.2. В табл. 10.2 под величиной R_вхБ следует понимать входное сопротивление транзистора для схемы с ОБ.

Таблица 10.2 Схемы включения транзисторов

Анализ данных, приведенных в табл. 10.2, свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ, обеспечивающей усиление транзистора, как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора.

Высокие значения β обусловливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током базы) управлять существенно большими токами (током коллектора) в выходной (нагрузочной) цепи.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои статические 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 входной и выходной 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). Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора n-р-n-типа для схемы включения с ОЭ приведены на рис. 10.7. Очевидно, что они имеют явно выраженный нелинейный характер. При этом входная ВАХ (рис. 10.7, а) подобна прямой ветви ВАХ диода, а выходная (рис. 10.7, б) характеризуется вначале резким возрастанием выходного тока IК при возрастании выходного напряжения UКЭ, а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока. Переход значений выходного тока на пологий участок соответствует режиму насыщения транзистора, когда оба перехода открыты (UБЭ>0; UКЭ>0).

Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзистор.

Рис. 10.8. Входные (а) и выходные (б) статические характеристики транзистора n-p-n-типа, включенного по схеме с ОЭ

Выпускаемые промышленностью дискретные биполярные транзисторы классифицируют обычно по двум параметрам: по мощности и частотным свойствам.

По мощности они подразделяются на маломощные (P_вых< 3 Вт), средней мощности (0,3 Вт<P_вых<1,5 Вт) и мощные (P_вых>1,5 Вт). По частотным свойствам - на низкочастотные (f_α>0,3 МГц), средней частоты (0,3 МГц< f_α <3 МГц), высокой частоты (3 МГц< f_α <30 МГц) и сверхвысокой частоты (f_α >30 МГц). f_α - предельная частота усиления транзистора по току в схеме ОБ, при которой модуль коэффициента передачи эмиттерного тока |α| уменьшается в корень из двух раз относительно значения, измеренного на низкой частоте.