Тема 4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор, образованный двумя последовательно включенными взаимодействующими p-n-переходами и содержащий три или более вывода, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда. Процессы усиления в БТ объясняются возможностью управления большим током в выходной цепи (коллектор или эмиттер) при небольших изменениях напряжения или тока во входной цепи (эмиттер- база).

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника, различают транзисторы а) р-n-р-типа и б) n-р-n-типа (рис.4.1.)

а) б)

Рис.4.1.

Отличие между ними заключается в различной полярности источников внешних напряжений и в направлении протекания токов через электроды при одинаковом принципе работы. Эмиттером называется одна из крайних областей, которую легируют сильнее, что позволяет использовать ее в режиме инжекции. Промежуточную область называют базой а другую крайнюю область – коллектором. В область коллектора производится экстракция носителей заряда из базовой области. Электронно-дырочный переход между эмиттерной и базовой областями называют эмиттерным, а между коллекторной и базовой – коллекторным.

В зависимости от напряжения на переходах возможны следующие режимы работы транзистора:

активный режим –на эмиттерный переход подается прямое смещение, на коллекторный обратное (запирающее);

режим отсечки – на обоих переходах обратное напряжение;

режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение;

инверсный режим – обратный по отношение к активному, то есть коллекторный переход смещен в прямом направлении, эмиттерный – в обратном.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). На рис. 4.2. показаны полярности внешних источников напряжения и направления токов транзистора, соответствующие активному режиму работы, для трех схем включения.

а б в

Рис. 4.2. Схемы включения биполярного транзистора (ОБ, ОЭ, ОК)

Основные функции биполярного транзистора могут быть реализованы только в активном режиме, поэтому ниже рассмотрим процессы формирования токов и управления ими в активном режиме для схемы с общей базой.

С ростом прямого смещения U_эб на эмиттерном переходе происходит уменьшение его потенциального барьера, что вызывает инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер.

Рис.4.3. Внутренняя структура биполярного транзистора

При этом, как и ранее в полупроводниковых диодах, используется несимметричный р-п переход, при котором концентрация примеси в эмиттере много больше концентрации примеси в базе (концентрация основных носителей эмиттера много больше концентрации основных носителей базы). Это приводит к тому что инжекция дырок из эмиттера в базу преобладает над инжекцией электронов из базы в эмиттер. Ток инжекции имеет две составляющие: дырочную I_эp и электронную I_эn. Процесс инжекции характеризуется коэффициентом инжекции (эффективностью эмиттерного перехода) , показывающим, какую долю составляет от общего тока эмиттера ток инжектированных в базу носителей.

В результате инжекции происходит диффузия дырок через базу к коллекторному переходу. Этот процесс усиливается тем, что дырки, подошедшие к обратносмещенному коллекторному переходу, попадают в его ускоряющее поле U_кб и экстрагируют в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектора I_{к упр}..

По мере продвижения по базе незначительная часть дырок рекомбинирует с собственными носителями базы – электронами, создавая рекомбинационную составляющую тока базы I_{б рек}. Коэффициент переноса неосновных носителей через базу характеризуется e = I_кp/I_эp, где I_кp – ток дырок, дошедших до коллекторного перехода в области базы.

При экстракции может также происходить ударная ионизация атомов полупроводника и лавинное умножение носителей заряда в коллекторном переходе, которое оценивается коэффициентом лавинного умножения М = I_{к упр}/I_кp. Произведение частичных коэффициентов передачи позволяет определить сквозной коэффициент передачи по току в схеме с ОБ (статический коэффициент передачи тока эмиттера) как Управляемая составляющая тока коллектора при этом равна .

Значения параметра лежат в диапазоне 0, 95¼ 0, 999.

Можно заметить, что в общем случае при малой ширине базы поле КП полностью формирует ток коллектора, то есть напряжение на коллекторном переходе при этом может отсутствовать. Однако в реальной схеме включения БТ напряжение Uкэ всегда имеется, что обусловлено включением нагрузки и необходимостью создания выходного тока в цепи коллектора.

Следовательно, кроме управляемого тока коллектора через коллекторный переход всегда протекает обратный неуправляемый ток , обусловленный экстракцией собственных неосновных носителей базы (дырок) и коллектора (электронов). Поэтому для полного тока коллектора справедливо выражение

( 4.1)

Обратный неуправляемый ток сильно зависит от температуры, поэтому называют также тепловым током. совпадает по направлению с управляемым током коллектора , а в цепи базы противоположен току рекомбинации, поэтому полный ток базы определяется разностью .

Величина для германиевых транзисторов составляет десятки микроампер, а для кремниевых транзисторов – сотни наноампер, Поэтому можно считать, что .

Для БТ можно записать так называемое внутреннее уравнение транзистора, то есть выражение, связывающее токи всех трех выводов БТ:

, (4.2)

Выражение, связывающее выходной и входной ток транзистора, включенного по схеме с ОЭ, можно получить, подставив (4.2) в (4.1):

. (4.3)

Параметр называют статическим коэффициентом передачи по току в схеме с ОЭ (статический коэффициент передачи тока базы). Ток называют начальным током транзистора.

Коэффициент принимает значения, лежащие в диапазоне десятки – сотни раз. Очевидно, что величина характеризует способность транзистора усиливать малый по величине ток базы и это усиление будет тем больше, чем больше . Величина также будет расти при уменьшении потерь в базе и ширины базы, что позволит также повысить крутизну управления БТ при подаче небольшого сигнала во входную цепь БТ (эмиттер-база).

В активном режиме работы токи коллектора и эмиттера БТ практически равны, а незначительный ток базы равен их разности.

Это приводит к тому, что в схеме с ОБ отсутствует усиление по току ()., а в схеме с ОЭ величина имеет большое значение (50-100).

Усиление входного сигнала по напряжению и мощности возможно получить в обеих рассмотренных схемах включения (ОБ и ОЭ). Поскольку ток коллектора формируется без участия Uк, величина коллекторного тока практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода очень велико (переход включен в обратном направлении).

В связи с этим в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением , что практически не изменит коллекторный ток. В то же время дифференциальное сопротивление прямовключенного эмиттерного перехода очень мало: и .

Можно увидеть, что изменение входного (эмиттерного) тока на величину практически приводит к такому же изменению коллекторного тока . При этом изменение потребляемой мощности в цепи эмиттера значительно меньше изменения мощности в выходной цепи . Это означает, что транзистор способен управлять большой мощностью в коллекторной цепи при небольших затратах мощности в эмиттерной цепи. Коэффициент усиления по мощности определяется выражением

(4.4)

Аналогичные выводы можно получить и для схемы с ОЭ, которая является универсальной (то есть усиливает и по току и по напряжению и по мощности). Для схемы включения с ОК можно определить соотношение выходного тока эмиттера и входного тока базы как

Кi =I_э/I_б=(I_к+ I_б)/I_б= (1+ ). (4.5)

Из схемы рис., эквивалентная схема которой соответствует схеме с ОК, можно увидеть, что выходное напряжении всегда меньше входного, то есть схема включения БТ с ОК не позволяет получить усиление по напряжению, но, очевидно, позволяет получить усиление по мощности, так как Кi= (1+ ).

Статические ВАХ отражают зависимости между постоянными входными и выходными токами и напряжениями транзистора. Для любой схемы включения транзистора можно получить четыре семейства статических ВАХ: входные , выходные , прямой передачи по току и обратной связи по напряжению . В таком варианте ВАХ мы анализируем зависимость параметров транзистора от входного тока , так как параметры биполярного транзистора в рабочем режиме зависят от величины тока через прямосмещенный переход БТ. В то же время в выходной цепи определяющей является зависимость параметров от напряжения на обратносмещенном переходе, то есть .

На рис. 4.3. и рис 4.4.. приведены графики семейств статических ВАХ транзистора, имеющего p-n-p-структуру, для включения с ОБ.

Рис 4.4. Входные и выходные статические ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ.

Входные характеристики представляют собой известные характеристики прямосмещенного р-п перехода. Выходные характеристики позволяют оценить поведение транзистора в различных режимах работы в соответствии с определением режимов.

Рис.4.5. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОБ

Характеристики прямой передачи БТ являются линейными в рабочей области входных токов в соответствии с уравнением .

Поведение характеристик обратной связи объясняется эффектом модуляции ширины базы в области небольших значений U кб.

Для схемы включения БТ с ОЭ поведение входных характеристик (рис. 4.6.) объясняется так же как и для схемы с ОБ. На выходных характеристиках требует пояснения отличное от схемы с ОБ расположение области режима насыщения

Рис.4.6. Входные и выходные характеристики БТ с ОЭ

В частности в схеме с ОЭ насыщение БТ наступает при выполнении условия Uкэ < Uбэ. В этом случае полярность напряжения на коллекторном переходе соответствует прямому смещению независимо от типа транзистора (р-п-р или п-р-п.). На рис. также показана возможность определения параметров транзистора через приращения токов и напряжений в заданной рабочей точке БТ.

Рис.4.7. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОЭ