1.4.Биполярный транзистор.

Биполярным транзистором называют полупровод­никовый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих электронно-дырочных перехода и который имеет три вывода или более. Типы: р-п-р и п-р-п.

Рис.1.15. Конструкция биполярного транзистора типа р-п-р.

На пластинку 3германия с электронной проводимостью - базу, с обеих сторон наплавлен индий, поэтому на обеих сторонах базы создаются области с дырочной проводимостью. Одна выпол- няет функцию эмиттера,вторая – коллек- тора. При этом со стороны эмиттера действует эмитерный электронно-дыроч- ный переход, а со стороны коллектора - коллекторный. Кристалл 3 помещают в кристаллодержатель 4,припаянный ко дну кор­пуса1. Вывод базы крепится к корпусу, а внутренние выводы эмиттера 2 и коллектора 5 через изолятор 7 соединяются с наружными выводами 6.Транзистор типа п-р-п имеет аналогич- ную конструкцию.

Рис.1.16.Условное обозначение транзистора типа

р-п-р(а) и п-р-п(б)

1.4.1.Физические процессы в биполярном транзисторе. Принцип действия биполяр­ного транзистора основан на использовании физичес­ких процессов, происходящих при переносе основных носителей эл. зарядов из эмиттерной об­ласти в коллекторную через базу.

Рис.1.17.К принципу действия биполярного транзистора.

П ри использовании транзистора в режиме уси­ления эмиттер.переход смещен в прямом на­правлении, коллекторный в обратном. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию (впрыскивание) основных носителей эмит­тера в базовую область. Коэффициент инжекции γ - отно­шение тока носителей эмиттера I_э^׳к общему току эмиттераI_э– совокупности осн. носителей эмиттерной области и осн. носителями базовой области:γ=I_э^׳/I_э= I_э^׳/(I_э^׳׳+I_э^׳).Для повышения эффективности эмиттера и уменьшения составляющей базов.тока I_э^׳׳область эмиттера делают с большей концентрацией осн. носителей, чем в области базы. Инжектируемые эмиттером основные носители в базовой области являются неосновными. При прямом смещении эмиттерного перехода количество неосновных носителей в базе значительно возрастает. В результате в базовой области создается диффузионный поток неосновных носителей в на­правлении от эмиттерного перехода к коллекторному. Неосн.носители базы под д е й с т в и е м ускоряющего поля втягиваются в область коллектора и создают управляемый коллекторный ток I_ку. Малое количество инжектирован­ных в базу носителей рекомбинируют с основными носителями базы, создавая в базовой цепи небольшой ток рекомбинации I_р- один из сос­тавляющих базового тока. Для уменьшения тока рекомбинации ширину базовой области делают ма­лой.

Переход неосновных носителей через базу в коллектор характеризуется коэффициентом переноса носителей δ = I_ку / I_э^׳, показывающим, какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода.

Важным параметром является коэф­фициент передачи тока эмиттера-отношение приращения тока коллектора к прира­щению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе: α= ΔI_к /ΔI_э приU_к= const.

Данный коэффициент мало отличается от единицы (α=0,95-0,99). Кроме I_к, в коллекторной цепи протекает ещё небольшой обратный ток коллекторного переходаI_кбо, созданный неосновными носителями коллектора и базы. При изменении окружающей температуры обратный ток нарушает стабильность работы транзистора, т.к. общий коллекторный ток равен сумме I_к=I_ку+I_кбо. При повышении температурыI_кбо дополни­тельно разогревает коллекторн. переход.

При малых значениях обратного тока коллектор­ный ток равен I_к=α I_э. Кроме эмиттерного и коллекторного токов в транзисторе имеется базовый ток, состоящий из трёх составляющих: ток рекомбинацииI_p; ток диффузии основ- ных носителей базы через эмиттерный переход I_д и обратный коллекторный токI_кбо, направленный против I_к: I_б = I_p + I_д- I_кбо

Т.к. I_к =I_э-I_б, то базовый ток стремятся сделать как можно малым, уменьшая шири­ну базовой области и концентрации в ней примеси.

Т.к. коллекторный ток является частью эмиттерного, а эмиттерный ток можно менять, регулируя потенциал базы, то транзис­тор-это прибор для усиления и генерирования эл. колебаний.

1.4.2.Схемы включения транзисторов. В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для его входной и выходной цепи, различают три схемы его включения.

Р ис.1.18. Схемы включе-ния биполярного транзис- тора :а)с общей базой;

б) с общим эмиттером;

в) с общим коллектором.

Схема ОБ. В этой схеме

I_вхб= I_э, I_выхб= I_к= α I_э, U_вхб=U_эб, U_выхб=U_кб. Входное сопротивлениеR_вхб=R_эб=U_вхб/I_вхб, выходное R_выхб=R_кб=R_н. Т.к. эмиттерный переход открыт, то входное сопротивление мало(единицы-десятки Ом).

Коэф­фициент передачи тока эмиттера(коэффициент усиления по току) K_iб= I_выхб/I_вхб= I_к/ I_э = α I_э / I_э = α < 1. Схема с общей базой не обладает усилением по току.

Коэффициент усиления по напряжению K_uб= U_выхб/U_вхб=U_кб/U_эб =I_кR_н/I_эR_эб =α I_эR_н/I_эR_эб=αR_н/R_эб. Т.к.отношение R_н/R_эб>> 1, то схема с общей базой обладает усилением по напряжению.

Коэффициент усиления по мощности K_рб=Р_выхб/Р_вхб=I_кU_кб/I_эU_эб=α I_эU_выхб/I_эU_вхб = α²R_н/R_эб. Т.к.отношениеR_н/R_эб>α², то схема с общей базой обладает некоторым усилением по мощности.

Схема ОЭ.I_вхэ=I_б=I_э(1- α), I_выхэ=I_к=α I_э, U_вхэ=U_эб, U_выхэ=U_кэ. Входное сопро- тивление R_вхэ=R_эб=U_вхэ/I_вхэ=U_эб/I_э(1- α)=R_вхб/(1- α), выходное R_выхэ=R_кэ=R_н. Расчет показывает, что R_вхэ>R_вхб примерно на 2 порядка.

Коэффициент усиления по току K_iэ= I_выхэ/I_вхэ= I_к/ I_э(1- α) = α /(1- α) > 1. Схема с общим эмиттером обладает усилением по току.

Коэффициент усиления по напряжениюK_uэ= U_выхэ/U_вхэ=U_кэ/U_эб =I_кR_н/I_бR_эб =α I_эR_н/I_э(1- α)R_эб =αR_н(1- α)/R_вхб(1- α)= αR_н/R_вхб>>1. Схема с общим эмиттером обладает усилением по напряжению и меняет фазуU_выхэ на 180⁰.

Коэффициент усиления по мощности K_рэ=K_iэK_uэ= α /(1- α)×αR_н/R_вхб =(α²R_н/R_эб) / (1- α)=K_рб/(1- α).Схема с общим эмиттером имеет наибольшее усиление по мощности.

Схема ОК. I_вхк=I_б=I_э(1- α), I_выхк=I_э, U_вхк=U_кб, U_выхк=U_кэ.

Входное сопротивление R_вхк=R_кб=U_вхк/I_вхк=U_кб/I_э(1- α )=(R_н +R_вхб)/(1- α), выходное R_выхк=R_кэ=R_н.Коэффициент усиления по току K_iк=I_выхк/I_вхк= I_э/ I_э(1- α) = 1/(1- α) > 1. Схема с общим коллектором обладает усилением по току.

Коэффициент усиления по напряжению K_uк= U_выхк/U_вхк =I_эR_н/I_э(1- α) R_вхк =I_эR_н(1-α)/I_э(1-α)(R_н +R_вхб) =R_н/(R_н+R_вхб) ≈1. Схема с общим коллектором не обладает усилением по напряжению.

Коэффициент усиления по мощности K_рк=K_iкK_uк=1/(1- α)×1≈1/(1- α) . Схема с общим коллектором обладает усилением по мощности.

1.4.3. Статические ВАХ и параметры транзисторов. Вольт-амперные характеристики представля­ют собой графики зависимости токов от напряжений, действующих в цепях транзистора. Различают вход­ные и выходные характеристики транзисторов.

Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при неизмен­ном напряжении на коллекторе.

Выходные характеристики характеризуют зави­симость выходного тока от напряжения на коллек­торе при неизменной величине входного тока или напряжения. В соответствии с тремя схемами вклю­чения транзистора различают характеристики для схемы с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором.

Рассмотрим характеристики для схемы с общей базой.

Входная характеристика - зависи­мость тока эмиттера от напряжения между эмит­тером и базой при постоянном напряжении между коллектором и базой (рис. 1.19, а):I_э = f (U_эб) при U_кб = const. ВАХ при U_кб=0 ана­логична характе- ристике полупроводникового диода при прямом включении. Эмиттерный ток экспо­ненциально возрастает с увеличением напряжения между эмиттером и базой. В области больших прямых токов входные характеристики близки к линейным.

В ыходные (коллекторные) характеристики схем с общей базой показы-вают зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и базой при неизменном токе эмиттера:I_к = f (U_кб) при I_э= const.(рис. 1.19,б).

Рис. 1.19.Входные (а) и выходные характеристики (б) биполярного транзистора для схемы ОБ.

Рис. 1.20.Входные (а) и выходные

характеристики (б) биполярного

транзистора для схемы ОЭ.

Входной характеристикой данной схемы (рис. 1.20,а) является график зависимости тока базы от напряжения между базой и эмиттером I_б=f(U_эб) при U_кэ= const. При U_кэ= 0 входная характеристика идет из начала коор­динат и представляет собой ВАХ прямого тока эмиттерного и коллекторного переходов, поэтому входная характеристика, снятая при U_кэ=0, занимает крайнее левое положение в семействе входных характеристик. При увеличении напряжения U_кэ входные характеристики сдвигаются вправо, т.к. с ростом напряжения вероятность рекомбинаций неосновных носителей в области базы уменьшается, что уменьшает ток базы и увеличивает кол­лекторный ток.

На рис. 1.20,б показано семейство выходных (кол­лекторных) характерис-тик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Каждая коллек-торная характеристика характеризует зависимость коллек­торного тока от напряжения на коллекторе при определенном токе базы:I_к=f(U_эк) при I_б= const. Коллекторные характеристики схемы с общим эмит­тером выходят из начала координат, которые при малых U_кэ идут более круто, чем при больших. С ростом базового тока коллекторные характерис­тики располагаются выше, т.к. увеличение базо­вого тока есть следствие увеличения тока эмиттера, а значит и тока коллектора.

С татические параметры транзистора. Статические параметры, характеризующие свойства транзистора, можно разделить на параметры малых сигналов и физические (собственные).

Параметры малых сигналов. При малых сигналах транзистор можно рассматривать как линейный актив-ный четырехполюсник, схема которого показана на рисунке слева. Напряжения и токи четырехполюсника связаны между собой систе­мами уравнений. Коэффициенты уравнений являются параметрами транзистора. Часто используют h-параметры: U₁= h₁₁I₁+ h₁₂ U₂;

I₂= h₂₁I₁+h₂₂U₂.

Коэффициенты h₁₂, h₂₁, h₁₁ и h₂₂ имеют опреде­ленный физический смысл и являются параметрами транзистора. Решая систему уравнений, нетрудно определить ее коэффициенты-параметры:

h₁₁=U₁/I₁при U₂=0 - входное сопротивление при к.з. на выходе;

h ₁₂ =U_l/U₂ приI₁ = 0 - коэффициент обратной пере­дачи при х.х. на входе;

h₂₁=I₂/I₁приU₂=0- коэффициент усиления потоку при к.з. на выходе;

h₂₂=I₂/U₂приI₁ = 0 - выходная проводимость при х.х. на входе,

где h₁₁, h₁₂ , h₂₂и h₂₁ являются входными и выходными параметрами.

Параметры транзистора могут быть определены из семейства входных и выходных характеристик транзистора.

К физическим параметрам относятся: r_э—сопротивление эмиттерного перехода с учетом объемного сопротивления эмиттерной области (нес­колько десятков омов); r_к—сопротивление коллек­торного перехода (несколько сотен килоом до мегаОма); r_б—объемное сопротивление базы (сотни Омов).

Динамический режим транзистора. В практических устройствах электроники наиболее широкое распрост­ранение получила схема с общим эмиттером, обладающая наибольшим усилением по мощности.

Рис.1.21. а)Схема соединения б.п. транзистора с общим эмиттером;

б)Выходная(коллекторная)

динамическая характеристика.

В выходную (коллекторную) цепь вклю­чена нагрузка R_к, а во входную (базовую) цепь — источник входного сигнала с напряжением U_вх. Увеличение тока базы вызовет возрастание тока в цепи коллектора и уменьшит напряжение на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны уравнением U_кэ= Е_к– I_кR_к.Такой режим работы транзистора называют дина­мическим, а характеристики связи между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления нагрузки -динамическими характеристиками. Динамические характеристики строят на семействе статических при заданных значениях напряжения источ­ника питания коллекторной цепи Е_к и сопротивления нагрузки R_к.Для построения выходной (коллектор­ной) динамической характеристики (рис. 1.21,б) ис­пользуют уравнение динамического режима - уравнение прямой. Для этого откладывают отрезки, отсекаемые прямой на осях координат. При I_к= 0 U_кэ= Е_к и при U_кэ= 0 I_к = E_к/R_к. Отложив на соответствующих осях напряжение E_к и ток I_к, через полученные точки проводят прямую АВ - динамическую выходную характеристику (нагрузочная прямая).

Для получения неискаженного усиления входно­го сигнала, исходную рабо-чую точку Б, или точку покоя, около которой происходят колебания, выби­рают примерно в середине участка динамической характеристики, т. е.при U_{кэ р} = 0, 5 Е_к, где изменение I_к прямо пропорционально изменениям I_б. Точка покоя характеризуется напряжением на коллектореU_кэp и током базы I_бз, которым соответствует ток покоя коллектора I_кр.