Биполярные транзисторы.

Транзисторы - это электронные приборы, предназначенные для усиления и преобразования сигналов. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-п переходами и тремя выводами. Их называют биполярными, так как в работе используются носители обоих знаков.

Структурная схема транзистора приведена на рис. 12.4. Переходы делят монокристалл полупроводника на три области, причем средняя область имеет тип электропроводности, противоположный крайним.

Среднюю область называют базой, одну из крайних областей эмиттером, а другую коллектором. В зависимости от типа электропроводимости крайних областей существуют транзисторы р-п-р или п-р-п структуры. На рис. 5а приведено схемное обозначение транзистора р-п-р, а на рис. 5б - транзистора п-р-п типа.

В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний. При изготовлении транзисторов обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примесей в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В зависимости от напряжения на р-п переходах транзистор может работать в одном из трех режимах:

- в активном режиме - когда на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном обратное;

- в режиме отсечки (запирания) - когда на оба перехода поданы обратные напряжения;

- в режиме насыщения - когда на оба перехода поданы прямые напряжения.

Рассмотрим работу транзистора п-р-п в активном режиме. В цепь источника коллекторного напряжения - Е_К транзистор включают последовательно с резистором R_К. На вход транзистора подается управляющая ЭДС-Е (рис. 12.6а). При таком включении эмиттер является общей точкой входной и выходной цепей. Поэтому оно называется включением с общим эмиттером.

При отсутствии напряжений (Е_К=0; Е =0) р-п переходы находятся в состоянии равновесия. Токи через них равны нулю.

Внешние источники включают так, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напряжение (плюс источника Е подан на базу, минус - на эмиттер), а на коллекторном переходе - обратное (плюс источника Е_К - на коллектор, минус - на эмиттер). Обычно Е_К>> Е . Поэтому:

.

Под воздействием прямого напряжения U_бэ начинается усиленная диффузия электронов из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера I_э. Так как база транзистора выполняется тонкой, основная часть электронов достигает коллекторного перехода не попадая в центры рекомбинации. Эти электроны захватываются ускоряющим полем закрытого коллекторного перехода с потенциалом:

,

и втягиваются в область коллектора.

Ток электронов, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь и источник Е_К. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. Эта часть уменьшает ток коллектора на величину a, т.е.:

I_к = a I_э, (12.3)

где a = 0,9 ¸ 0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Заряд рекомбинировавших электронов остается в базе. Для компенсации этого заряда из источника Е_б в базу поступают дырки. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации:

. (12.4)

Ток коллектора, определяемый выражением (12.3), зависит от напряжения U_бэ и называется управляемым. Кроме управляемого тока, через закрытый коллекторный переход протекает обратный ток I_кбо, обусловленный дрейфом собственных носителей заряда. С учетом этого:

,

а

.

Выразим ток эмиттера из последнего выражения:

Подставляя это значение в выражение для тока коллектора, получаем:

, (12.5)

где b - коэффициент передачи тока базы >> 1;

I_кэо – обратный ток транзистора.

Так как I_кэо обычно пренебрежимо мал, справедливо приближенное равенство:

. (12.6)

Оно показывает, что если ток базы изменить на величину I_б, то ток коллектора изменится на величину bDI_б, т.е. в b раз большую. В этом и заключается суть усиления.

К основным параметрам биполярных транзисторов относятся средние и максимально допустимые значения токов коллектора и базы, максимальные значения напряжений U_кэ; U_бэ; U_кб; коэффициент передачи тока базы b, максимально допустимые частота и мощность и т.п.

Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 12.6б и 12.6в соответственно). Выходной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока коллектора от напряжения U_кэ т.е. I_к = j(U_кэ), снятая при постоянном токе базы I_{б =} const.

На выходной характеристике можно выделить три характерных участка. Первый участок лежит в области малых значений . При таком напряжении коллекторный переход оказывается открытым. Транзистор работает в режиме насыщения. Ток коллектора резко изменяется с изменением напряжения . Напряжение отсекающее крутой участок лежит в пределах . Первый участок используется в импульсной технике при реализации ключевого режима транзистора.

Большую часть характеристики занимает II, пологий участок. На этом участке ток коллектора почти не зависит от напряжения . Его значение практически полностью определяется током базы (12 в.). Транзистор работает в активном режиме, обеспечивая усиление сигнала. Небольшой наклон пологого участка обусловлен тем, что с ростом увеличивается потенциальный барьер закрытого коллекторного р-n перехода, расширяется его запирающий слой за счет толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации, поэтому значение b, а значит и увеличивается.

Резкое увеличение тока на III участке характеристики вызывается явлением электрического пробоя.

Входной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения , при постоянном напряжении . При оба перехода в транзисторе работают под прямым напряжением.

Токи коллектора и эмиттера складываются в базе. Входная характеристика транзистора, в этом случае, представляет собой ВАХ двух p-n переходов, включенных параллельно.

При коллекторный переход закрывается. Транзистор переходит в активный режим работы. Ток базы в этом режиме определяется выражением (12.4). Поэтому входная характеристика транзистора строится как прямая ветвь ВАХ одного (эмиттерного) перехода.

В заключение необходимо отметить, что токи транзистора сильно зависят от температуры окружающей среды. Это общий недостаток полупроводниковых приборов. Причина этого недостатка в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация собственных носителей заряда (пары электрон-дырка). Поэтому ток удваивается с увеличением температуры на каждые 8 ¸ 10⁰С. Кроме того, с увеличением температуры центры рекомбинации (дефекты кристаллической решетки) постепенно заполняются, и вероятность рекомбинации носителей в базе падает, а, значит, коэффициент передачи тока базы b увеличивается. Таким образом, при нагреве на 20 ¸ 30⁰ С ток может измениться на десятки процентов.