Лекция№4. Биполярные транзисторы

План лекции:

1. Назначение и виды транзисторов.

2. Общие сведения о биполярном транзисторе.

3. Физические процессы в транзисторной n-p-n-структуре.

4. Основные параметры и характеристики биполярного транзистора.

4.1. Назначение и виды транзисторов.

Т ранзистор – электронный полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Две основные функции прибора в электрической цепи - это усилитель и переключатель (рис.4.1.).

Рис. 4.1. Основные функции транзистора в электрической цепи

Существует бесконечное множество разных типов транзисторов – от огромных усилителей высокой мощности размером с кулак, до миниатюрных переключателей на кристалле процессора размером в считанные десятки нанометров.

В электронной цепи, транзистор ведет себя как переменное сопротивление. Только если у таких переменных резисторов, как потенциометр и обычный выключатель, нужно менять сопротивление с помощью механического воздействия, то у транзистора его меняют посредством напряжения, которое подается на один из электродов прибора (рис.4.2.).

Р ис.4.2. Транзистор как переменное сопротивление

Устройство и обозначение транзисторов разделяют на две большие группы. Первая – это биполярные транзисторы (БТ) (международный термин – BJT, Bipolar Junction Transistor). Вторая группа – это униполярные транзисторы, еще их называют полевыми (ПТ) (международный термин – FET, Field Effect Transistor).

П олевые, в свою очередь, делятся на транзисторы с PN-переходом (JFET - Junction FET) и с изолированным затвором (MOSFET- Metal-Oxide-Semiconductor FET) .

Рис.4.2. Классификация основных типов транзисторов и обозначение на схеме

На сегодняшний день биполярные транзисторы получили самое широкое распространение в аналоговой электронике. Если быть точнее, то чаще всего их используют в качестве усилителей в дискретных цепях (схемах, состоящих из отдельных электронных компонентов).

Также нередко отдельные БТ используются совместно с интегральными (состоящими из многих компонентов на одном кристалле полупроводника) аналоговыми и цифровыми микросхемами. В этом возникает необходимость, например, когда нужно усилить слабый сигнал на выходе из интегральной схемы, обычно не располагающей высокой мощностью.

В области цифровой электроники, полевые транзисторы, а именно полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET), практически полностью вытеснили биполярные благодаря многократному превосходству в скорости и экономичности. Внутри архитектуры логики процессоров, памяти, и других различных цифровых микросхем, находятся сотни миллионов, и даже миллиарды MOSFET, играющих роль электронных переключателей.

4.2. Общие сведения о биполярном транзисторе

Структура биполярного транзистора. Транзистор представляет собой полупроводник с двумя p-n-переходами. В зависимости от порядка, в котором чередуются области с различным типом проводимости, различают р-n-р- и n-р-n- транзисторы. К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь. В современной электронике наибольшее распространение получили транзисторы n-p-n-структуры, которые, благодаря более высоким значениям подвижности и коэффициента диффузии электронов по сравнению с дырками, обладают большим усилением и меньшей инерционностью, чем транзисторы p-n-p- структуры. Поэтому ниже рассматриваются именно n-p-n- транзисторы, структура которых и условно графическое обозначение приведены на рис 4.3.

Р ис.4.3. Структура биполярного транзистора

Одна из крайних областей транзистора, имеющая наименьшие геометрические размеры, называется эмиттером (Э). Эта область предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру прибора. Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью легирования, то есть очень высокой концентрацией носителей. Направление стрелки, в условно графическом обозначении, указывает направление тока в эмиттере.

Другая крайняя область транзистора, называемая коллектором, предназначена для собирания потока носителей, эмиттируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие геометрические размеры среди областей транзистора. Легируется коллектор значительно слабее эмиттера (обозначение n+ и означает, что эмиттер легирован значительно сильнее коллектора).

Средняя область транзистора называется базой. Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырками в базе ее ширина делается очень маленькой, а степень легирования - очень низкой - на 3...4 порядка ниже, чем у эмиттера. Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разделяющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом (КП).

По характеру движения носителей зарядов в базе биполярные транзисторы подразделяются на дрейфовые и бездрейфовые. В дрейфовых биполярных транзисторах атомы примеси в базе распределены неравномерно. При этом образуется внутреннее электрическое поле, приводящее к дрейфу носителей зарядов и их ускоренному движению.

В бездрейфовых биполярных транзисторах атомы примеси в базе распределены равномерно и внутреннее электрическое поле не образуется. В этом случае движение носителей связано только с диффузией.

В лекции, для простоты, рассматриваются бездрейфовые биполярные транзисторы.

С хемы включения и режимы работы биполярного транзистора. В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором(ОК).

Рис.4.4. Схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от наличия или отсутствия внешнего резистора нагрузки различают динамический и статический режим работы.

В зависимости от сочетания знаков и значений напряжений на p-n-переходах транзистора различают следующие режимы его работы:

а) активный режим (основной режим) – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход – обратное;

б) режим отсечки – на оба перехода поданы обратные напряжения (транзистор заперт);

в) режим встречной инжекции (режим насыщения) – на оба перехода поданы прямые напряжения (транзистор полностью открыт);

г) инверсный активный режим – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном – прямое.

Режимы отсечки и насыщения характерны для работы транзистора в качестве электронного ключа; активный режим используют при работе транзистора в усилителях. Инверсное включение используется редко.