Мгту «мами» — кафедра «автоматика и процессы управления. Учебное пособие: Биполярные транзисторы

13.10.2019

Устройство и принцип действия

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия . В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия . Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трёх различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E , базы B и коллектора C . В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база (это делается по двум причинам - большая площадь перехода коллектор-база увеличивает вероятность экстракции неосновных носителей заряда в коллектор и т.к. в рабочем режиме переход коллектор-база обычно включен с обратным смещением, что увеличивает тепловыделение, способствует отводу тепла от коллектора), поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора . Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I э =I б + I к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I к = α I э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 - 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Режимы работы биполярного транзистора

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база - в обратном (закрыт)
U ЭБ >0;U КБ <0 (для транзистора p-n-p типа, для транзистора n-p-n типа условие будет иметь вид U ЭБ <0;U КБ >0);

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход - прямое.

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты). Если эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения. Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослабляться электрическим полем, создаваемым внешними источниками Uэб и Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (IЭ.нас) и коллектора (IК.нас).

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты). Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный р-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении. В этом случае через оба р-n-перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (IЭБО) И коллектора (IКБО). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер - мкА (у кремниевых транзисторов) до единиц миллиампер - мА (у германиевых транзисторов).

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором , а в коллекторную или в эмиттерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя своеобразный диод, включенный последовательно с токозадающим резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, нечувствительностью к параметрам транзисторов.

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

Коэффициент усиления по току I вых /I вх.
Входное сопротивление R вх =U вх /I вх

Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.
Коэффициент усиления по току: I вых /I вх =I к /I э =α [α<1]
Входное сопротивление R вх =U вх /I вх =U бэ /I э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

Хорошие температурные и частотные свойства.
Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой:

Малое усиление по току, так как α < 1
Малое входное сопротивление
Два разных источника напряжения для питания.

Схема включения с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току: I вых /I вх =I к /I б =I к /(I э -I к) = α/(1-α) = β [β>>1]
Входное сопротивление: R вх =U вх /I вх =U бэ /I б

Достоинства:

Большой коэффициент усиления по току
Большой коэффициент усиления по напряжению
Наибольшее усиление мощности
Можно обойтись одним источником питания
Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема с общим коллектором

Коэффициент усиления по току: I вых /I вх =I э /I б =I э /(I э -I к) = 1/(1-α) = β [β>>1]
Входное сопротивление: R вх =U вх /I вх =(U бэ +U кэ)/I б

Достоинства:

Большое входное сопротивление
Малое выходное сопротивление

Недостатки:

Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

Основные параметры

Коэффициент передачи по току
Входное сопротивление
Выходная проводимость
Обратный ток коллектор-эмиттер
Время включения
Предельная частота коэффициента передачи тока базы
Обратный ток коллектора
Максимально допустимый ток
Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, не зависимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

коэффициент усиления по току α;
сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току r э, r к, r б, которые представляют собой:
- r э - сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
- r к - сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
- r б - поперечное сопротивление базы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора с использованием h-параметров

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление - сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

H 11 = U m1 /I m1 при U m2 = 0.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

H 12 = U m1 /U m2 при I m1 = 0.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

H 21 = I m2 /I m1 при U m2 = 0.

Выходная проводимость - внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

H 22 = I m2 /U m2 при I m1 = 0.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

U m1 = h 11 I m1 + h 12 U m2 ;
I m2 = h 21 I m1 + h 22 U m2 .

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» - для схемы ОЭ, «б» - для схемы ОБ, «к» - для схемы ОК.

Для схемы ОЭ: I m1 = I mб, I m2 = I mк, U m1 = U mб-э, U m2 = U mк-э. Например, для данной схемы:

H 21э = I mк /I mб = β.

Для схемы ОБ: I m1 = I mэ, I m2 = I mк, U m1 = U mэ-б, U m2 = U mк-б.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

;

С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода C к. Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициенты усиления α и β. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода C э также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода r э и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционность процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки τ з относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τ ф. Временем включения транзистора называется τ вкл = τ з + τ ф.

Технология изготовления транзисторов

Эпитаксиально-планарная
Сплавная
- Диффузионный
- Диффузионносплавной

Применение транзисторов

Демодулятор (Детектор)
Инвертор (лог. элемент)
Микросхемы на транзисторной логике (см. транзисторно-транзисторная логика , диодно-транзисторная логика , резисторно-транзисторная логика)

См. также

Литература

Примечания

Пассивные твердотельные	Резистор · Переменный резистор · Подстроечный резистор · Варистор · Конденсатор · Переменный конденсатор · Подстроечный конденсатор · Катушка индуктивности · Кварцевый резонатор · Предохранитель · Самовосстанавливающийся предохранитель · Трансформатор
Активные твердотельные	Диод · Светодиод · Фотодиод · Полупроводниковый лазер · Диод Шоттки · Стабилитрон · Стабистор · Варикап · Вариконд · Диодный мост · Лавинно-пролётный диод · Туннельный диод · Диод Ганна Транзистор · Биполярный транзистор · Полевой транзистор · КМОП-транзистор · Однопереходный транзистор · Фототранзистор · Составной транзистор · Баллистический транзистор Интегральная схема · Цифровая интегральная схема · Аналоговая интегральная схема Тиристор · Симистор · Динистор · Мемристор
Пассивные вакуумные	Бареттер
Активные вакуумные и газоразрядные	Электронная лампа · Электровакуумный диод · Триод · Тетрод · Пентод · Гексод · Гептод · Пентагрид · Октод · Нонод · Механотрон · Клистрон · Магнетрон · Амплитрон · Платинотрон · Электронно-лучевая трубка · Лампа бегущей волны
Устройства отображения

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода . Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода . В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси .

Базу делают как можно более тонкой . Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном . Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции .

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током .

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока .

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

Рассмотрим кратко работу n-р-n -транзистора. На границе раздела полупроводников с n (электронной)- и р (дырочной)-типами проводимостей за счет диффузии возникает область разноименных объемных зарядов. Она образована ионизированными атомами акцепторной и донорной примесей и обеднена подвижными носителями заряда: электронами и дырками. Поле контактной разности потенциалов, образующееся между зарядами, представляет собой потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Если на эмиттерный переход подано прямое смещение (как показано на рис. 4), то потенциальный барьер уменьшается, и из эмиттера в базу будут инжектироваться электроны. Концентрация дырок в базе обычно существенно ниже концентрации электронов в эмиттере, и инжекцией дырок в эмиттер можно пренебречь. Поэтому ток эмиттера i 3 образуется электронной составляющей потока носителей. Инжектированные из эмиттера электроны являются в базе неосновными носителями зарядов и будут, главным образом за счет диффузии, двигаться сквозь базу по направлению к коллекторному переходу. На коллектор относительно базы подается положительное напряжение, что соответствует обратному смещению коллекторного перехода. Достигшие коллекторного перехода электроны втягиваются его полем в область коллектора и образуют ток коллектора i к. Так как толщина базы мала, а концентрация дырок в ней невелика, то только небольшая часть электронов рекомбинирует (объединяется) с дырками базы; остальные электроны достигают коллекторного перехода. Рекомбинация электронов в базе вызывает соответствующий ток во внешней цепи - ток базы i б.

Между токами эмиттера, базы и коллектора существуют очевидные соотношения:

где α - коэффициент передачи тока эмиттера; он принимает, в зависимости от типа транзистора, значения в интервале от 0,95 до 0,99. Из приведенных соотношений получаем зависимость тока коллектора от тока базы:

Параметр (3)

называется коэффициентом передачи тока базы и составляет 20÷100. Говорят, что в транзисторе происходит усиление тока базы.

3.3. Вольтамперные характеристики биполярного
транзистора в схеме с общим эмиттером

Свойства биполярного транзистора определяются семействами статических вольтамперных характеристик, которые выражают взаимосвязь его токов и напряжений. Вид этих характеристик зависит от схемы включения транзистора. Наиболее популярной является схема с общим эмиттером (рис. 5). Входными характеристиками является семейство i б = F (u бэ) при u кэ = const (рис. 6, a). Они подобны характеристикам полупроводникового диода. Выходные характеристики представляют семейство i к = F (u кэ) при

i б = const (рис. 6, б).

При малом u кэ, когда i б >0 (т.е. u бэ ≥ 0,6 В), коллекторный переход (как и эмиттерный) оказывается смещенным в прямом направлении, поэтому не все инжектированные в базу электроны попадают в область коллектора.

Транзистор работает здесь в режиме насыщения , так как увеличение тока базы не приводит к увеличению тока коллектора. Соответствующие этому режиму характеристики сливаются в линию Б . Далее с ростом u кэ ток коллектора i к сначала быстро растет, а затем почти не изменяется.

С увеличением тока базы, который является частью тока эмиттера, ток коллектора также возрастает, и статические характеристики смещаются вверх. Транзистор работает здесь в активном режиме и выступает как регулятор тока. Следует отметить довольно высокую линейность связи коллекторного и базового токов, что проявляется в эквидистантном расположении пологих участков коллекторных характеристик. Наконец, при обратном смещении эмиттерного перехода (т.е. u бэ < 0,6 В) последний заперт, и через транзистор протекает неуправляемый (его называют сквозным) ток i кэс. Такой режим называется режимом отсечки тока. Характеристика i б = 0 (линия А) разделяет области активного режима и отсечки.

3.4. Описание транзистора h-параметрами и его
эквивалентная схема

При анализе транзисторных схем в режиме малого сигнала транзистор удобно представлять в виде линейного четырехполюсника (рис. 7) и описывать связь токов и напряжений на входе и выходе четырьмя параметрами. Для описания транзисторов обычно используют удобные в измерении так называемые гибридные h -параметры; введем их.

Возьмем в качестве независимых переменных входной ток i 1 и выходное напряжение u 2 . Тогда входное напряжение u 1 и выходной ток i 2 будут некоторыми нелинейными функциями выбранных независимых переменных:

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного напряжения и выходного тока для активной области можно записать в виде

Здесь производные вычисляются для некоторых постоянных значений тока и напряжения I 1,0 , U 2,0 , которые характеризуют режим транзистора по постоянному току. Обозначим эти константы

Роль малых приращений могут играть малые переменные токи и напряжения с амплитудами I 1 , I 2 и U 1 , U 2 . Тогда зависимость между переменными токами и напряжениями в транзисторе будет описываться системой линейных уравнений с h -параметрами:

(4а)

. (4б)

Согласно (4), параметр h 11 является входным сопротивлением транзистора, а h 21 - коэффициентом передачи тока при коротком замыкании выхода (U 2 = 0); h 22 - выходная проводимость, а h 12 - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе (I 1 = 0). Параметр h 21 равен α для схемы с общей базой и β - для схемы с общим эмиттером.

Конкретные значения h -параметров различаются для разных типов транзисторов, схем их включения и режима по постоянному току I 1,0 , U 2,0 ; h -параметры могут быть также вычислены из статических вольт-амперных характеристик транзистора, если последние известны.

В соответствии с уравнениями (4) транзистор формально можно представить эквивалентной схемой, показанной на рис. 8. Генератор тока h 21 I 1 , в выходной цепи учитывает эффект усиления тока, а генератор h 12 U 2 отражает наличие напряжения обратной связи во входной цепи.

Эквивалентная схема данного вида может использоваться для исследования транзисторных схем при малом гармоническом сигнале в широком диапазоне частот. В этом случае уравнения (4) записываются для комплексных амплитуд токов и напряжений, а сами h -параметры будут зависящими от частоты комплексными величинами. Для относительно низких частот h -параметры можно считать константами для выбранного режима транзистора по постоянному току. Например, для кремниевого n-р-n -транзистора КТ315Б при I к0 = 1 мА, U кэ0 = 10 В h -параметры в схеме с общим эмиттером обычно лежат в интервалах значений:

ТЕМА 4. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1 Устройство и принцип действия

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и пригодный для усиления мощности.

Выпускаемые в настоящее время биполярные транзисторы можно классифицировать по следующим признакам:

По материалу: германиевые и кремниевые;

По виду проводимости областей: типа р-n-р и n-p-n;

По мощности: малой (Рмах £ 0,3Вт), средней (Рмах £ 1,5Вт) и большой мощности (Рмах > 1,5Вт);

По частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок (или основными и неосновными). Отсюда их название – биполярные.

В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно транзисторы с плоскостными р-n- переходами.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематично на рис. 4.1.

Он представляет собой пластинку германия или кремния, в которой созданы три области с различной электропроводностью. У транзистора типа n-р-n средняя область имеет дырочную, а крайние области – электронную электропроводность.

Транзисторы типа р-n-р имеют среднюю область с электронной, а крайние области с дырочной электропроводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом в транзисторе имеются два р-n- перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Площадь эмиттерного перехода меньше площади коллекторного перехода.

Эмиттером называется область транзистора назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. Базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Концентрация основных носителей заряда в эмиттере во много раз больше концентрации основных носителей заряда в базе, а их концентрация в коллекторе несколько меньше концентрации в эмиттере. Поэтому проводимость эмиттера на несколько порядков выше проводимости базы, а проводимость коллектора несколько меньше проводимости эмиттера.

От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную включается нагрузка.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере транзистора р-n-р –типа, включенного по схеме с общей базой (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Принцип действия биполярного транзистора (р-n-р- типа)

Внешние напряжения двух источников питания ЕЭ и Ек подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (прямое напряжение), а коллекторного перехода П2 – в обратном направлении (обратное напряжение).

Если к коллекторному переходу приложено обратное напряжение, а цепь эмиттера разомкнута, то в цепи коллектора протекает небольшой обратный ток Iко (единицы микроампер). Этот ток возникает под действием обратного напряжения и создается направленным перемещением неосновных носителей заряда дырок базы и электронов коллектора через коллекторный переход. Обратный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, −Ек. Величина обратного тока коллектора не зависит от напряжения на коллекторе, но зависит от температуры полупроводника.

При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения ЕЭ в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается. Начинается инжектирование (впрыскивание) дырок в базу.

Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу дырки перемещаются в ней посредством диффузии. При этом дырки рекомбинируют с электронами базы. Поскольку концентрация носителей в базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень немногие дырки. При малой толщине базы почти все дырки будут доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных электронов в базу поступают электроны от источника питания Ек. Дырки, рекомбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.

Под действием обратного напряжения Ек потенциальный барьер коллекторного перехода повышается, толщина перехода П2 увеличивается. Но потенциальный барьер коллекторного перехода не создает препятствия для прохождения через него дырок. Вошедшие в область коллекторного перехода дырки попадают в сильное ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным напряжением, и экстрагируются (втягиваются) коллектором, создавая коллекторный ток Iк. Коллекторный ток протекает по цепи: +Ек, база-коллектор, -Ек.

Таким образом, в транзисторе протекает три тока: ток эмиттера, коллектора и базы.

В проводе, являющемся выводом базы, токи эмиттера и коллектора направлены встречно. Следовательно, ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: IБ = IЭ − IК.

Физические процессы в транзисторе типа n-р-n протекают аналогично процессам в транзисторе типа р-n-р.

Полный ток эмиттера IЭ определяется количеством инжектированных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носителей заряда достигая коллектора, создает коллекторный ток Iк. Незначительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбинируют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разделятся на токи базы и коллектора, т.е. IЭ = IБ + Iк.

Ток эмиттера является входным током, ток коллектора – выходным. Выходной ток составляет часть входного, т.е.

(4.1)

где a- коэффициент передачи тока для схемы ОБ;

Поскольку выходной ток меньше входного, то коэффициент a<1. Он показывает, какая часть инжектированных в базу носителей заряда достигает коллектора. Обычно величина a составляет 0,95¸0,995.

В схеме с общим эмиттером выходным током является ток коллектора, а входным – ток базы. Коэффициент усиления по току для схемы ОЭ:

(4.2)

(4.3)

Следовательно, коэффициент усиления по току для схемы ОЭ составляет десятки единиц.

Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому транзистор- прибор, управляемый током.

Изменения тока эмиттера, вызванные изменением напряжения эмиттерного перехода, полностью передаются в коллекторную цепь, вызывая изменение тока коллектора. А т.к. напряжение источника коллекторного питания Ек значительно больше, чем эмиттерного Еэ, то и мощность, потребляемая в цепи коллектора Рк, будет значительно больше мощности в цепи эмиттера Рэ. Таким образом, обеспечивается возможность управления большой мощностью в коллекторной цепи транзистора малой мощностью, затрачиваемой в эмиттерной цепи, т.е. имеет место усиление мощности.

4.2 Схемы включения биполярных транзисторов

В электрическую цепь транзистор включают таким образом, что один из его выводов (электрод) является входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают три схемы включения транзисторов: ОБ, ОЭ и ОК. Эти схемы для транзистора типа р-n-р приведены на рис. 4.3. Для транзистора n-р-n в схемах включения изменяются лишь полярности напряжений и направление токов. При любой схеме включения транзистора (в активном режиме) полярность включения источников питания должна быть выбрана так, чтобы эмиттерный переход был включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Рисунок 4.3 – Схемы включения биполярных транзисторов: а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК

4.3 Статические характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется режим при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Статическими характеристиками транзисторов называют графически выраженные зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВАХ). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

4.3.1 Характеристики транзистора, включенного по схеме ОБ

Входной характеристикой является зависимость:

IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (рис. 4.4, а).

Выходной характеристикой является зависимость:

IК = f(UКБ) при IЭ = const (рис. 4.4, б).

Рисунок 4.4 – Статические характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ

Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 – сильная зависимость Iк от UКБ (нелинейная начальная область); 2 – слабая зависимость Iк от UКБ (линейная область); 3 – пробой коллекторного перехода.

Необходимые пояснения даны, переходим к сути.

Транзисторы. Определение и история

Транзистор - электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)

Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.

Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.

Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.

В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» - дважды). А в полевом (он же униполярный) - или электроны, или дырки.

Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые - в цифровой.

И, напоследок: основная область применения любых транзисторов - усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.

Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики

Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.

Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.

Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора ), а между эмиттером и базой - слабый управляющий ток (ток базы ). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй - с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».

Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но бо льшая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны - неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу . Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.

Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем - ток коллектора, а управляющий ток базы - то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.

Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.

Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.

Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21 . Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току . Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.

Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора . Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.

Третий параметр биполярного транзистора - коэффициент усиления по напряжению . Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая - очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.

Также транзисторы имеют частотную характеристику , которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной .

Также параметрами биполярного транзистора являются:

обратный ток коллектор-эмиттер
время включения
обратный ток колектора
максимально допустимый ток

Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.

Режимы работы биполярного транзистора

Рассмотренный выше вариант представляет собой нормальный активный режим работы транзистора. Однако, есть еще несколько комбинаций открытости/закрытости p-n переходов, каждая из которых представляет отдельный режим работы транзистора.

Инверсный активный режим . Здесь открыт переход БК, а ЭБ наоборот закрыт. Усилительные свойства в этом режиме, естественно, хуже некуда, поэтому транзисторы в этом режиме используются очень редко.
Режим насыщения . Оба перехода открыты. Соответственно, основные носители заряда коллектора и эмиттера «бегут» в базу, где активно рекомбинируют с ее основными носителями. Из-за возникающей избыточности носителей заряда сопротивление базы и p-n переходов уменьшается. Поэтому цепь, содержащую транзистор в режиме насыщения можно считать короткозамкнутой, а сам этот радиоэлемент представлять в виде эквипотенциальной точки.
Режим отсечки . Оба перехода транзистора закрыты, т.е. ток основных носителей заряда между эмиттером и коллектором прекращается. Потоки неосновных носителей заряда создают только малые и неуправляемые тепловые токи переходов. Из-за бедности базы и переходов носителями зарядов, их сопротивление сильно возрастает. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи.
Барьерный режим В этом режиме база напрямую или через малое сопротивление замкнута с коллектором. Также в коллекторную или эмиттерную цепь включают резистор, который задает ток через транзистор. Таким образом получается эквивалент схемы диода с последовательно включенным сопротивлением. Этот режим очень полезный, так как позволяет схеме работать практически на любой частоте, в большом диапазоне температур и нетребователен к параметрам транзисторов.

Схемы включения биполярных транзисторов

Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.

Схема включения с общим эмиттером

Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности - до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор - обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.

Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.

Схема включения с общей базой

Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное - не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.

В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.

Схема включения с общим коллектором

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала

Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.

В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).

Два слова о каскадах

Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов.

Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.

Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке - VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке - VT2).

Другие области применения биполярных транзисторов

Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления - то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.

Маркировка

Поскольку статья уже разрослась до неприлично большого объема, то в этом пункте я просто дам две хорошие ссылки, по которым подробно расписаны основные системы маркировки полупроводниковых приборов (в том числе и транзисторов): http://kazus.ru/guide/transistors/mark_all.html и файл.xls (35 кб) .

Полезные комментарии:
http://habrahabr.ru/blogs/easyelectronics/133136/#comment_4419173

Теги: