Биполярные транзисторы

I. Назначение

Транзистор (от английских слов transfer - переносить и resistor - сопротивление) - электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний различных частот.

Без транзисторов не обходится ни одно предприятие, которое выпускает электронику. На транзисторах основана вся современная электроника. Их широко применяют в теле, радио и даже компьютерных аппаратурах.

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность - таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы. Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают в специальный “футляр”).

Основные материалы, из которых изготовляют триоды — кремний и германий.

Из транзисторов можно составить схемы различных назначений. Например, можно собрать усилители тока, мощности, усилители звуковых частот, декодеры аудио, видео, теле-радио сигналов, а также простейшие логические схемы, основанные на принципе И-ИЛИ-НЕ. При усилении электрических колебаний в транзисторе используются свойства p-n – перехода.

На основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием (класс полупроводниковых приборов, появившихся в результате развития интегральной технологии) выполняются экономичные логические элементы, запоминающие устройства, аналого-цифровые преобразователи и т. д.

Компоненты, выполненные на основе биполярных транзисторов с инжекционным питанием, имеют высокую степень интеграции, потребляют малую мощность, нормально функционируют при изменениях в широких пределах напряжения питания и потребляемой мощности, хорошо согласуются с существующими устройствами, построенными на биполярных транзисторах.

II. Классификация

Б и п о л я р н ы м и транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n – переходами и тремя выводами или более, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. В настоящее время широко используют биполярные транзисторы с двумя p-n – переходами, к которым чаще всего и относят этот термин. Они состоят из чередующихся областей (слоев) полупроводника, имеющих электропроводности различных типов.

• В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n – типов. Транзисторы, в которых p-n – переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называют п л о с к о с т н ы - м и. В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящий через базу: в приборах типа p-n-p –это дырки ,в приборах типа n-p-n –это электроны.

• В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют д и ф ф у з и о н н ы м и или б е з д р е й ф о в ы м и. При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют д р е й ф о в ы м и.

• По функциональному назначению:

1. По частоте: низкочастотные (fгр < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < fгр < 300 МГц), сверхвысокочастотные (fгр >= 30 МГц).

2. В соответствии с основными областями применения: усилительные (сверхвысокочастотные, высоковольтные, высокочастотные линейные); генераторные (высокочастотные, сверхвысокочастотные, сверхвысокочастотные с согласующими цепями); переключательные и импульсные (переключательные высоковольтные и импульсные высоковольтные).

III. Принцип действия

Упрощенная структура плоскостного p-n-p – транзистора показана на рис.1.1,а, условные обозначения p-n-p и n-p-n – транзисторов – на рис. 1.1,б.

а) б)

Рис. 1.1. Упрощенная структура плоскостного транзистора (а) и его условные обозначения с указанием направления токов при работе в нормальном активном режиме (б).

При подключении напряжений к отдельным слоям биполярного транзистора оказывается, что к одному переходу приложено прямое напряжение, к другому – обратное. При этом переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют э м и т т е р н ы м, а соответствующий наружный слой – эмиттером (Э); средний слой называют базой (Б). Второй переход, смещенный приложенным напряжением в обратном направлении, называют к о л л е к т о р н ы м, а соответствующий наружный слой – коллектором (К).

Однотипность слоев коллектора и эмиттера позволяет при включении менять их местами. Такое включение называется инверсным. При инверсном включении параметры реального транзистора существенно отличаются от параметров при нормальном включении.

При изготовлении транзисторов эмиттер и коллектор выполняют низкоомными, а базу – относительно высокоомной (десятки – сотни Ом). При этом удельное сопротивление области эмиттера несколько меньше, чем области коллектора.

Все положения для единичного p-n – перехода, справедливы для каждого из p-n – переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n – переход. При подключении к электродам транзистора напряжений и (рис.1.2) эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

В результате снижения потенциального барьера дырки из области эмиттера диффундируют через p-n – переход в область базы (инжекция дырок), а электроны – из области базы в область эмиттера. Так как удельное сопротивление базы высокое, дырочный поток носителей заряда преобладает над электронным. Поэтому последним в первом приближении можно пренебречь. Для количественной оценки составляющих полного тока p-n – перехода используют p-n – перехода используют коэффициент инжекции

,

где и - дырочная и электронная составляющие тока p-n – перехода; - полный ток p-n – перехода.

Дырки, инжектированные в базу, создают вблизи p-n – перехода электрический заряд, который в течение времени компенсируется электронами, приходящими из внешней цепи от источника . Аналогично, заряд электродов в эмиттере компенсируется дополнительными дырками, но так как инжекция приближается к односторонней, то эти процессы можно не рассматривать. Приход электронов в базу из внешней цепи создает в последней электрический ток , который направлен из базы.

Рис. 1.2.Схема движения носителей заряда в транзисторе.

Вследствие разности концентраций (в диффузионных транзисторах) и разности концентраций и внутреннего электрического поля (в дрейфовых) инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсировавшие их заряд и тем самым обеспечившие электронейтральность базы, движутся вглубь по е направлению к коллектору. Если бы база была достаточно толстой (W>3L), то все инжектированные носители заряда рекомбинировали бы в ней и в области, прилегающей к коллекторному p-n – переходу, их концентрация стала бы равновесной. Тогда через коллекторный переход протекал бы обратный ток, равный току обратносмещенного p-n – перехода. Однако во всех реальных транзисторах ширина базы W во много раз меньше диффузионной длины, т.е. W<<0,2L. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для прохождения ими базы. Большинство дырок, инжектированных в нее, не успевают рекомбинировать с электронами и, попав вблизи коллекторного p-n – перехода в ускоряющее поле, втягиваются в коллектор (экстракция дырок). Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, в свою очередь, уходят через базовый вывод, создавая ток, направленный в базу транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока. Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного р-п-перехода несколько больше тока коллек­торного р-п-перехода.

Дырки в базе являются неосновными носителями заряда и свободно проходят через запертый коллекторный р-п-переход в область коллектора. За время, определяемое постоянной времени диэлектрической релаксации , они компенсируются электронами, создающими ток коллектора и приходящими из внешней цепи. Если бы рекомбинация в базе отсутствовала и существовала бы чисто одностороння инжекция, то все носители заряда, инжектированные эмиттером, достигали бы коллекторного перехода и ток эмиттера был бы равен току коллектора. В действительности только часть тока эмиттера составляют дырки и только часть их доходит до коллекторного перехода.

Кроме тока, вызванного инжектированными в базу неосновными носителями заряда, через р-п-переход, смещенный в обратном направлении, протекает обратный неуправляемый ток I_КБО. Причины его возникновения те же, что и в единичном р-п-переходе.

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному р-п-переходу, вызывает изменение количества инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора. Следовательно, для изменения по определенному закону коллекторного тока необходимо к эмиттерному р-п-переходу приложить напряжение, изменяющее оп этому закону ток эмиттера.

Эквивалентная схема транзистора и уравнения вольтамперной характеристики

Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математической модели, показана на рис.1.3. Каждый р-п-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный р-п-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обеспечивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный р-п-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току I₂ соответствует эмиттерный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллекторного тока. Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую (I₁ или I₂) и собираемую ( или ):

Рис.1.3. Эквивалентная схема идеализированного транзистора.

Эмиттерный и коллекторный р-п-переходы транзистора аналогичны р-п-переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их ВАХ определяется так же, как и в случае диода.

Выходные характеристики транзистора описываются уравнением

Входные идеализированные характеристики транзистора:

Статические характеристики для идеализированного транзистора представлены на рис. 1.5,1.6.

В реальном транзисторе кроме тепловых токов через переходы протекают токи генерации – рекомбинации, канальные токи и токи утечки. Поэтому , как правило, неизвестны.

Если р-п-переход смещен в обратном направлении, то вместо теплового тока можно подставлять значение обратного тока.

Три схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают три схемы включения транзистора (рис. 1.4): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, т.е. необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками . Они изменяют ток эмиттера транзистора, а соответственно и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рис.1.4,а,б) и тока эмиттера (рис.1.4,в) соответственно на резисторах и создадут приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами . Параметры схем обычно выбирают так, чтобы было бы во много раз больше вызвавшего его приращения (рис. 1.4,а,б) или близко к нему (рис.1.4,в).

Рис.1.4. Включение транзистора по схеме с общей базой (а), с общим эмиттером (б),

с общим коллектором (в).

Вид входных и выходных ВАХ транзистора зависит от схемы включения его в цепь. Так, для схемы включения с ОБ статический характеристики имеют вид, показанный на рис.1.5, для схемы с ОЭ – на рис. 1.6. На рис. 1.5,а видны две области: активный режим , и коллекторный переход смещен в обратном направлении; режим насыщения , и коллекторный переход смещен в прямом направлении.

Рис. 1.5. Статические характеристики идеализированного транзистора, включенного по схеме с ОБ: а – выходные; б – входные.

Рис. 1.6. Выходные (а) и входные (б) характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ.