Биполярные транзисторы

Опубликовано: 04.09.2018

Биполярные транзисторы .

Эти транзисторы имеют в своей структуре два несимметричных p - n перех о да: эмиттерный и коллекторный. Их графическое изображение показано на рис.1.

а) б)

Рис. 1 Графическое изображение транзисторов

а) прямой проводимости p - n p , б) обратной проводимости n p n ,

Б база, К коллектор, Э эмиттер

При включении транзистора сделаем базу общим электродом для входа и выхода. Такое включение называется «с общей базой». Два перехода называются эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП). В зависимости от их состояния разл и чают режим работы транзистора:

- активный, ЭП открыт, КП закрыт (применяется в усилителях);

- инверсный, ЭП закрыт, КП открыт (применяется в логических схемах );

- насыщения, оба переходы открыты (применяется в логических схемах );

- отсечка, оба перехода закрыты (применяется в аналоговых ключах).

1.Принцип работы транзистора

Принцип работы транзистора разберем при активном режиме (рис.2).

Рис. 2. Принцип работы биполярного транзистора

Два источника Еэ и Ек обеспечивают нужное состояние переходов. Переходы несимметричны, имеют различную концентрацию примесей: N э> N к> N б ( N концентрация примеси 1/ c м 3 ).

Коллектор перехода закрыт, эмиттер перехода открыт. Через открытый эми т терный переход начинается движение основных носителей, причем, так как д ы рок в эмиттере больше, чем электронов в базе, ток обеспечивается в основном дырками. Процесс внедрения неосновных носителей называется инжекцией. Дырки инжектируют в n базу и I э = ( I р + I п ) инжектир , I p . инжектир >> I п. инжектир . Для оценки эффективности эмиттерного перехода вводится коэффициент инжекции

γ= Ip инж /( Ip + In ) инж . При несимметрии перехода γ ≈ 1 и дырочный ток, воше д ший в базу, I р = I э γ .

Таким образом, в n базе за эмиттерным переходом образуется большое к о личество неравновесных (неосновных) дырочных носителей. В базе у колле к торного перехода количество дырок будет гораздо меньше. Это неосновные н о сители. За счет разности концентраций дырок возникает градиент дырок dp / dx за счет которого они начнут двигаться по законом диффузии из того места, где их много (у эмиттера) в то место, где их мало (к коллекторному переходу). Это движение идет в области заполненной электронами и существует вероятность встречи отрицательного электрона с положительной дыркой (рекомбинация). Для уменьшения потерь дырочных носителей база должна быть тонкой. Для оценки потерь вводится коэффициент переноса ψ, равный отношению дырочн о го тока у коллекторного перехода к дырочному току у эмиттерного перехода. При тонкой базе коэффициент переноса ψ <1 и приблизительно ψ ≈ 1. С учетом этого процесса ток дырок у коллекторного перехода равен I р = I э · γ · ψ.

Далее дырки попадают в ускоряющее поле коллекторного перехода, выв о дятся в область коллектора (экстракция) и создают коллекторный ток. В итоге имеем I к = I э γ ψ. Произведение двух коэффициентов объединяют одним α= γ ψ: α коэффициент усиления по току в схеме «общая база», это важнейший усил и тельный параметр транзистора. Благодаря несимметрии эмиттерного перехода и тонкой базе α ≈ 0.99-0.999.

После данного разбора докажем способность транзистора усиливать сигнал. Напряжение на входе можно определить так, U вх = I э · R вх R вх сопр о тивление открытого p - n перехода. Напряжение на выходе U вых = I k · R вых , R вых выходное сопротивление соизмеримое по величине с сопротивлением з а крытого коллекторного перехода теперь найдем коэффициент усиления по н а пряжению:

. (1)

Так как R вых >> R вх получим Ku >>1, то есть транзистор усиливает напряж е ние. Заметим, что при таком включении усиление тока не происходит, так как по причинам изложенным выше ток коллектора, хотя и не на много но меньше тока эмиттера. Отметим, что хороший транзистор должен иметь:

- примесей в эмиттере больше чем в коллекторе и базе,

- база должна быть тонкой, чтобы дырки в ней не рекомбинировали,

- коллектор должен быть больше по площади для эффективного сбора носителей.

Обратите внимание на то, что выходной коллекторный ток управляется небольшим базовым током. Это токовый принцип управления в биполярном транзисторе совершенно отличный от полевого принципа в полевом транзисторе.

2.Токи в транзисторе.

Здесь речь пойдет о составляющих компонентах токов, протекающих по электродам транзистора, I эмиттера , I kоллектора , I базы . Транзистор - это трехполюсник и по закону Кирхгофа между токами следующая связь: I э = I к + I б . Из принципа действия следует, что самый большой ток идет по выводу эмиттера, самый м а ленький по выводу базы а ток коллектора немного меньше тока эмиттера.

Рассмотрим, какова природа всех токов.

1. Ток эмиттерного вывода состоит из суммы инжекционных токов; дырочного из эмиттера в базу и электронного из базы в эмиттер. Причем дырочный ток н а много больше чем электронный.

2. Коллекторный ток состоит из двух составляющих.

- Ток экстракции дырочных носителей из n базы в коллектор, это полезная ко м понента равная I э γψ.

- Ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода I k0 .

Полный ток коллектора равен I к = + I k0 =α I э + I k0 .

3. Базовый ток состоит из трех составляющих.

I б1 рекомбинационная составляющая, это электронный ток для восполнения электронов потерянных при рекомбинации дырок в базе. Его величина определ я ется через коэффициенты инжекции и переноса, I б2 = I э γ(1-ψ).

I б2 - обратный ток неосновных носителей закрытого коллекторного перехода. Его можно найти в справочниках по транзисторам с обозначением I k0 . Обратите вн и мание на то, что он имеет противоположное направление с I б1 .

I б3 это электронный ток инжекции из базы в эмиттер, совпадающий по напра в лению с I б1 . Его величина определяется коэффициентом инжекции,

I б3 = I э(1-γ).

Определим суммарный базовый ток:

I б = I б1 + I б3 - I б2 = I э (1-γ)+ I э(1-ψ)γ- I k 0 = I э - I к ; (2)

это основное соотношение токов в транзисторе.

3. Вольт Амперные характеристики транзистора.

Существует три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой его вывод является общим для входа и выхода (Рис. 3).

а) б) в)

Рис. 3 Схемы включения транзистора:

а) с общим эмиттером (ОЭ), б) с общей базой (ОБ),

в) с общим коллектором (ОК).

Входные и выходные выводы в этих схемах разные, разными будут и х а рактеристики. В общем случае они представлены двумя семействами : входные характеристики, I вх= f ( U вх, U вых), и выходные I вых= f ( I вх, U вых).

Наиболее распространенной схемой включения является ОЭ. Установим для этой схемы зависимость тока коллектора (выходного):

I k = α · I э + I k 0 =α · ( I k + I б ) + I k 0 , отсюда

(3),

Выражение - коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ,>>1. Такое включение дает усиление по току в отличии от схемы ОБ.

Выражение , которое так же намного больше единицы, свидетельств у ет о том, что доля неуправляемого тока в коллекторе () больше, чем в сх е ме ОБ . Это серьезный недостаток с которым приходится считаться в схемоте х нике.

Построим входные характеристики. Это семейство I б= f ( U б-э) при

U к-э= const . Их вид показан на рис. 4 .

Рис.4 Входные характеристики транзистора ОЭ.

Объяснить их вид можно следующими причинами.

Напряжение U бэ или U эб прямое напряжение открывающее эмиттерный переход и не может быть большим. Его величина лежит в пределах 0 -0.8В. пороговое напряжение это то, при котором появляется базовый ток. Для германиевых транзисторов небольшой мощности U пор≈0.3-0.5В., для кремниевых - U пор≈0.4-0.7В. Базовый ток это одна из составляющих эмиттерного тока, тока открытого эмиттерного перехода. Поэтому его изменение напоминает поведение тока открытого перехода, но величина на несколько порядков меньше и с о ставляет единицы и десятки микроампер. При отсутствии напряжения на базе ток базы не равен нулю (на характер и стиках не показан). Это ток неосновных носителей коллекторного перех о да I к0 . На семействе характеристик проявляется эффект модуляции ширины базы (эффект Эрли). База транзистору тонкая и образует p - n переход с областью коллектора. При подаче обратного напряжения на коллектор происходит расширение перехода в область базы (рис. 5),Δ`> Δ.

Рис. 5 Эффект модуляции ширины базы

Напомним, что физическая то л щина Δ определяется так:

(4).

В результате этого база становится еще тоньше. В тонкой базе уменьш а ется вероятность рекомбинации носителей и стало быть уменьшается р е комбиционная составляющая базового тока. Следовательно, при увелич е нии напряжения на коллекторе ток базы должен уменьшаться, что и пок а зано на рис. 4. Это очень принципиальное и важное обстоятельство. Ок а зывается, в транзисторе в принципе существует паразитная обратная связь; изменение выходного напряжения приводит к изменению входного тока (а, следовательно, и входного напряжения). Это обстоятельство приводит к неустойчивой работе транзисторных усилителей. Проектируя усилитель, мы можем получить генератор.

Поэтому в структуре транзистора приняты меры по уменьшению модул я ции ширины базы и для транзисторов приведенных в справочниках показ а на, как правило, одна входная характеристика при U кэ≠0, которая справе д лива для всей рабочей области, и другая при U кэ=0, которая не рабочая.

Выходные характеристики транзистора показаны на рис. 6. это семе й ство I к= f ( U кэ ) при I б= const .

Рис. 6. Выходные характеристики транзистора

Будем исходить из основного уравнения токов для включения транзистора ОЭ: .

- Очевидно, чем больше базовый ток, тем больше и коллекторный. При отсу т ствии базового тока по коллектору протекает неуправляемый ток ( β +1)∙ I k 0 . Нал и чие его ведет к отрицательным последствиям. При изменении температуры кристалла транзистора увеличивается ток I к0, его знач е ние усиливается ( β +1) раз и характеристики смещаются вверх, работа схемы ухудшается. Заметим, что н е управляемая составляющая тока коллектора при включении ОЭ в ( β +1) раза больше, чем в схеме ОБ.

Таким образом, схема ОБ обладает большей температурной стабильностью.

- При больших напряжениях на коллекторе может наступить явление пробоя и эта область не рабочая. Не рабочая область так же и при малых коллекторных напряжениях. Здесь характеристики как бы сливаются, база теряет свои упра в ляющие свойства. Маленькое обратное напряжение на коллекторе приводит к открыванию коллекторного перехода, это режим насыщения при котором оба перехода транзистора открыты.

- Наклон любой характеристики транзистора больше, чем у отдельно взят о го диода. Объяснение этому следующее. За счет эффекта Эрли, уменьшается р е комбинация, большее количество носителей доходит до коллектора и ток ко л лектора растет быстрее, чем в отдельно взятом диоде.

- На характеристиках имеется рабочая область, область эффективного упра в ления током коллектора. Слева она ограничена областью насыщения, справа пробоем, снизу неуправляемым током коллектора, а сверху одним из паспортных параметров транзистора - допустимой мощностью рассеиваемой коллектором транзистора P к.

Сложные, нелинейные вольтамперные характеристики транзистора заставили ввести простые параметры, которые не столь строго и универсально отражают его свойства, но удобны для оценки его работы. Таких систем параметров н е сколько.

При малых сигналах можно не учитывать нелинейность характеристик, при таком допущении связи между всеми токами и напряжениями будут линейными и транзистор можно заменить линейным четырехполюсником (рис. 7).

Рис.7 Транзистор как четырехполюсник

Его описание система алгебраических уравнений, в которой два зависимых параметра (функции) и два независимых (аргументы). Если принять зависимыми входное напряжение U вх и выходной ток I вых, то вводится система малоси г нальных h параметров и система уравнений будет следующая:

U вх = h 11 ∙ I вх + h 12 ∙ U вых

I вых = h 21 ∙ I вх + h 22 ∙ U вых (5).

Здесь под токами и напряжениями следует понимать довольно малые пр и ращения Δ U вх, Δ U вых, Δ I вх, Δ I вых, малые настолько, что нелинейность хара к теристик не проявляется.

Смысл h параметров следующий.

, входное сопротивление, определяется при коротком замыкании на выходе. В схеме ОЭ для маломощных транзисторов имеет величину 50 5000 Ом.

В схеме ОБ его величина на несколько порядков меньше.

Коэффициент обратной связи , безразмерный параметр, свидетельствующий об обратной связи в транзисторе за счет эффекта Эрли. Его вел и чина в схеме ОЭ 10 -4 10 -6 , определяется при разомкнутой цепи по входу (хол о стой ход).

В схеме ОБ его величина на несколько порядков меньше, поэтому транз и стор работает более устойчиво и такое включение часто применяют на высоких ча с тотах.

Коэффициент усиления по току , важнейший параметр, определяется при коротком замыкании на выходе. В схеме ОЭ это β=50 500, в схеме ОБ α= 0.99 0.999.

Выходная проводимость , измеряется в Сименсах. В схеме ОЭ 10 -3 10 -4 , в ОБ 10 -5 10 -6 . Определяется при разомкнутом входе.

-Схемы ОБ, ОЭ, ОК имеют различные значения h параметров.

- Указанные параметры завися от токов и напряжений поданных на транз и стор, от температуры и от рабочей частоты. В последнем случае они комплек с ные.

Необходимые приращения тока и напряжения для определения h параме т ров можно определить по входным и выходным характеристикам.

Рис. 8. Определение h параметров по характеристикам.

Все необходимые приращения тока показаны на рис. 8 и тогда для включения ОЭ имеем.

По входным характеристикам

Следует иметь в виду, что при слившихся характеристиках параметр h 12 =0.

По выходным характеристикам

Линейная схема замещения транзистора при малых сигналах посредством h параметров приведена на рис. 9.

Рис. 9. Эквивалентная схема транзистора в h параметрах

Система h параметров не единственная. Существует в принципе шесть вар и антов определения задания зависимых и независимых переменных и столько же систем параметров, но не все они получили практическое применение. На выс о ких частотах трудно получить режим холостого хода, то есть режим чисто р а зомкнутого электрода; мешает монтажная емкость , емкость самого вывода о т носительно общего электрода. Поэтому в этом случае параметры желательно о п ределять только в режиме короткого замыкания, для этого применяют систему « y »-параметров;

U вх = y 11 I вх + y 12 I вых,

U вых = y 21 I вх + y 22 I вых .

Все параметры имеют размерность проводимости и следующий смысл;

y 11 входная проводимость, y 12 проводимость обратной связи, y 21 крути з на, y 22 выходная проводимость.

Находит применение и физическая система параметров. Её название объя с няется тем, что в основе лежит физическая структура транзистора его три о б ласти, эмиттер , коллектор и база. Приведем физические параметры при вкл ю чении транзистора по схеме ОБ. Начнем сначала. Область эмиттера самая ни з коомная область, так как насыщена примесями. За ней по пути тока идет откр ы тый эмиттерный переход так же обладающий низким сопротивлением. Таким образом, эти области можно отразить довольно малым сопротивление r э (для м а ломощных транзисторов r э 5 -50 Ом). Далее по пути тока расположена область тонкой базы, в которой примесей мало и , следовательно, ее сопротивление з а метнее. Это r б, величина которого 100 1000 Ом. И, наконец, ток входит в ко л лектор, по пути носители проходят закрытый коллекторный переход, да и сама коллекторная область достаточно высокоомная. Отразим это сопротивлением r к 10000 100000 Ом. Получилась схема состоящая из пассивных элементов и не способная усиливать сигнал. Чтобы не потерялась суть транзистора ее необх о димо дополнить генератором тока α I э. Схема замещения транзистора показана на рис. 10.