Б. Биполярный транзистор

Двойной p-n переход превратил диод из пассивного прибора в биполярный транзи-

стор, усилитель тока. Типо-

1 2 3

б э к

_{к к} вая топология биполярного

p p+ n

n+

б б

ⁿ э э

транзистора приведена на рис. 2.4. На поверхности кремниевой пластины 1 сформирована n-область, яв-

а) б) в)

Рис. 2.4.

ляющаяся коллектором, на ней – р-область, являющаяся базой. Внутри базы по-

лупроводник снова перелегирован в n-область. Это эмиттер транзистора. Пластина окис- лена (слой 2) и на окисел нанесены токопроводящие дорожки 3 (обычно алюминий) тол- щиной порядка микрометра. В зоне базы и коллектора для получения надежного омиче- ского контакта с алюминием полупроводник дополнительно подлегирован (области p+ и n+). Нарис. 2.4б) приведеносхемотехническое обозначение биполярного n-p-n транзисто- ра, на рис. 2.4в) - p-n-p транзистора.

При наличии на базово-эмиттерном переходе напряжения, открывающего этот пе- реход, «неосновные» носители (заряды) поступают с эмиттера в область базы. Там они, в основном, не рекомбинируют с основными носителями базы, как в обычном диоде, а взаимодействуют с базово-коллекторным переходом. В области базы со стороны коллек- тора также присутствуют поступившие с коллектора носители, являющиеся для базы «не- основными». Заряды с эмиттера, вливаясь в их число, частично сами переходят в коллек- тор, частично вытесняют поступившие с коллектора носители. Таким образом, возникает ток коллектора, отличающийся от тока эмиттера на число рекомбинирующих носителей, которые формируют базовый ток.

_к Фактически, транзистор представляет из себя два встречно включенных дио- да. Такое диодное представление n-p-n транзистора представлено на рис. 2.5.

На коллектор подается положительный потенциал, на эмиттер – отрицатель-

^б ный. Если базу подсоединить к коллектору – транзистор будет открыт, к

эмиттеру – закрыт, никуда не подсоединять – обычно будет пробит – так про- _э стейшим образом можно описать работу биполярного транзистора. Для p-n-p транзистора диоды будут включены противоположно и на коллектор следует

Рис. 2.5.

подавать отрицательное напряжение, все остальное остается справедливым. Управляемый ток коллектора I_K связан с управляющим током базы I_Б соотно-

шением:

I_К h₂₁ iI_Б , здесь h₂₁ – коэффициент усиления транзистора по току. Коэффици-

ент усиления по току для типовых транзисторов составляет около 100. Этот параметр не

61

очень стабилен, он зависит от температуры транзистора, напряжения между коллектором и эмиттером U_КЭ.

У супербетта–транзисторов коэффициент усиления по току может составлять около 1000, еще больше он у составных транзисторов или транзисторов Дарлингтона, которые мы рассмотрим в следующем разделе.

Уравнение Эберса-Молла связывает коллекторный ток с напряжением на переходе база-эмиттер U_БЭ и описывает работу транзистора в достаточно широком диапазоне на- пряжений, токов и температур:

^IК ^IНАС

^⎛ U ^⎞

i_⎜exp( ^БЭ ) 1_⎟,

⎝ ^UT ⎠

здесь I_НАС – ток насыщения (обратный ток) эмиттерного перехода, U_T =KT/q – энергетиче- ский барьер для носителей заряда: K – постоянная Больцмана (К=1,38*10 ^-23 Дж/Кельвин), Т - абсолютная температура в Кельвинах, q – заряд электрона (q = 1,6*10 ^-19Кл).

Реально коллекторный ток существенно больше тока насыщения эмиттерного пе-

рехода, поэтому:

^IК ^IНАС

iexp(^UБЭ ).

U_T

Казалось бы, согласно уравнению Эберса-Молла ток коллектора должен убывать с повышением температуры, причем экспоненциально, однако это не так. Ток коллектора при постоянном напряжении U_БЭ растет пропорционально температуре. Или, при посто- янном коллекторном токе, напряжение на переходе база-эмиттер U_БЭ падает практически линейно, приблизительно на 200 мВ на каждые сто градусов. Это происходит, потому что ток насыщения I_НАС круто возрастает с повышением температуры, настолько круто, что компенсирует уменьшениеэкспоненциального членаexp(U_БЭ·q/KT). Это явление приводит к неустойчивости теплового равновесия биполярного транзистора. При повышении тем- пературы в какой либо зоне эмиттерного перехода биполярного транзистора локально возрастает плотность протекающего тока в этой зоне, что приводит к еще большему разо- греву рассматриваемогоучастка и может вызватьвыходтранзистораиз строя.

По этой причине, для повышения управляемого тока нельзя включать параллельно несколько биполярных транзисторов, хотя полевые транзисторы можно включать парал- лельно, о чемпойдет речь позже.

С неустойчивостью теплового равновесия биполярного транзистора конечно бо- рются, в частности, в транзисторную структуру включают резистивные участки с положи- тельным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС), поэтому рекомендуется в качестве ключей для коммутации нагрузки следует применять биполярные транзисторы, рекомендованные дляэтих целей.

Если взять два идентичных транзистора, сформированных на одном кристалле и запитать их в десять раз различающимся коллекторным током, то согласно уравнению Эберса-Молладляразностинапряженийнапереходах база-эмиттерполучим:

^UБЭ 2

^UБЭ1

_T ln10iK

q

1, 986i10^4 T , т.е. разность напряжений будет пропорцио-

нальна абсолютной температуре. На этом эффекте строят недорогие полупроводниковые датчики температуры, выходной сигнал которых при 27ºС (300К) равен 3В и имеет кру- тизну 10мВ/К.

Различаюттри состояниятранзистора:

1. полностью закрыт(коллекторный ток менее микроампера);

2. находится в активном режиме, когдаток коллекторапропорционалентоку базы;

3. полностью открыт, или находитсяв режименасыщения.

_Iб U_б

От

+ U н

^{R н} VD1

U_к

VТ2

VD2

62

В системах управления транзисторы, как отдельные компоненты используют в основном в ключах, поэтому нам будет интересен режим насыщения. На рис. 2.6. показан типо- вой ключ на биполярном транзисторе, включающий некото- рую индуктивную нагрузку R_н, например, катушку вакуумного клапана с электромагнитным приводом. Ток базы I_б управляет ключом и должен задаваться вычислительным ядром САУ. Диоды VD1 и VD2 защищают ключ от индуктивных выбросов

вычисли-

тельного ядра

Рис. 2.6.

напряжения при включении и выключении нагрузки. При по- вышении тока базы, повышается напряжение на база- эмиттерном переходе U_б и, согласно уравнению Эберса-Молла растет ток коллектора. При этом растет и падение напряжения

на нагрузке и наступает момент, когда напряжение на коллекторе U_к, равное разности пи- тающего напряжения и падения напряжения на нагрузке, становится меньше напряжения на базе. Это и есть состояние насыщения открытого биполярного транзистора. В состоя- нии насыщения увеличение базового тока перестает увеличивать коллекторный ток. На- пряжение на коллекторе составляет доли вольта. Так, у транзистора КТ3102 оно при кол- лекторном токе в 10 мА составляет всего 75 мВ и менее. Конечно, для силовых ключевых транзисторов и токах в несколько ампер это напряжение больше и может приближаться к

одному вольту, но все равно, статические потери мощности на ключе, равные

P_K I_К iU_К

невелики. Статический коэффициент полезного действия ключа равен отношению мощ- ности, выделяемойв нагрузкек суммарной мощностивыделяемой в ключеи нагрузке:

I_К (U_H U_К )

I _К (U_H U_К )

U_H U_{К .}

_K 

I iU

• I (U



U )



I iU U

К К К H К К H H

Из формулы видно, что к.п.д. ключа стремится к единице при повышении напряже- ния на нагрузке. При напряжении на нагрузке в 24 В в состоянии насыщения КПД ключа набиполярномтранзисторереальносоставляетвеличину более96%.

У ключана биполярномтранзисторетри основныхнедостатка:

1. Большиетоки базы.

2. Неустойчивоетепловоеравновесие.

3. Заметные динамические потери при переключениях.

Коэффициент усиления по току h₂₁, как говорилось ранее, существенно зависит от тока коллектора и у силовых транзисторов в состоянии насыщения или близком к нему составляет уже величину порядка 10…30. Т. е. для обеспечения тока в нагрузке в 10А по- надобятся базовые токи, приближающиеся к амперу. Для повышения коэффициента уси- ленияпо току были разработанытранзисторы Дарлингтона.