7.3 Биполярные транзисторы.

Введение.

Транзистором называют полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные).

В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей. Поэтому неотъемлемой составной частью биполярных транзисторов являются -переходы. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе этого класса транзисторов. В полевых (униполярных) транзисторах используется движение основных носителей заряда.

В данной главе рассматриваются физические процессы в биполярном транзисторе, а также его основные характеристики и параметры. Униполярные транзисторы изучаются в следующей главе.

Биполярный транзистор представляет собой двухпереходный прибор (рис.7.10). Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы и со взаимно противоположными рабочими полярностями.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис. 7.11 (а – транзистор и б – транзистор ).

Рис 7.10

Рис.7.11

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой – эмиттером. Такое название, как и у диодов, отражает факт инжекции неосновных носителей через переход. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой – коллектором. Это название отражает функцию «собирания» инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того, чтобы такое «собирание» было возможным, база должна иметь достаточно малую толщину ( , где – диффузионная длина неосновных носителей).

У современных транзисторов она обычно не превышает мкм, тогда как диффузионная длина лежит в пределах мкм.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же база неоднородная, то в ней есть внутренне электрическое поле, и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом.

Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми (или диффузионными), а с неоднородной – дрейфовыми.

Последние имеют в настоящее время наибольшее распространение в интегральных микросхемах.

Транзистор, показанный на рис 7.11а, характерен тем, что его крайние слои (эмиттер и коллектор) имеют проводимость -типа, а средний слой (база) – проводимость -типа. Транзисторы с такой структурой называют транзисторами. В микроэлектронике главную роль играют транзисторы типа (рис.7.11б), у которых эмиттер и коллектор имеют проводимость -типа, поэтому они и будут основой последующего анализа. По принципу действия они ничем не отличаются от -транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений, а также ряд количественных особенностей.

Физические процессы. Режимы работы транзистора.

В нормальном активном режиме, являющимся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. При этом электроны инжектируются из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации (поскольку ширина базы мала) и беспрепятственно попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом.

Таким образом, при нормальном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители.

При указанной полярности напряжения коллектор способен собирать только электроны, поэтому ток эмиттера должен содержать в основном электронную составляющую. Для этого эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу.

В нормальном включении токи коллектора и эмиттера почти одинаковы с точностью до небольшого тока базы. Последний ток компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации, которая имеет место даже при очень малой толщине базы, а также в результате небольшой инжекции дырок из базы в эмиттер.

Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода очень велико – несколько МОм и более. Поэтому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямо смещенного эмиттерного перехода, напротив, мало. Например, при токе мА оно составляет всего Ом. Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается несравненно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е. является усилительным прибором.

Необходимо подчеркнуть, что транзистор представляет собой, вообще говоря, обратимый прибор, т.е. эмиттер и коллектор можно поменять местами, сохранив в той или иной мере работоспособность прибора. Такой вывод вытекает из однотипности крайних слоев. Однако в связи с несимметричностью слоев (площадь эмиттерного слоя меньше, чем площадь коллекторного слоя), а также различием материалов эмиттера и коллектора в большинстве типов транзисторов нормальное и инверсное включение неравноценны. Передача тока при инверсном включении значительно хуже, чем при нормальном. Причины этого следующие. Во-первых, в связи с малым легированием коллектора мала электронная составляющая коллекторного тока. Во-вторых, площадь реального коллектора значительно больше эмиттера, поэтому на эмиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором.

Особое место в работе транзистора занимает режим насыщения или режим двойной инжекции. В этом режиме на обоих переходах – эмиттерном и коллекторном – действуют прямые напряжения. Следовательно, эмиттер и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого слоя.

Если оба перехода смещены в обратном направлении, то через транзистор будет протекать минимальный тепловой ток. Такой режим называется режимом отсечки.

Рассмотрим более подробно физические процессы, протекающие в транзисторе n-p-n в активном режиме, т.е. эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном направлении (рис.7.12).

Рис.7.12

Физические процессы происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения U_эб понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно ток через этот переход . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу. Поскольку толщина базы выбирается такой, что , то подавляющее большинство электронов, инжектированных эмиттером, достигает коллектора, не успев рекомбинировать с дырками базы. Вблизи коллекторного перехода электроны попадают в его ускоряющее поле и втягиваются в коллектор. В бездрейфовых транзисторах база должна быть электрически нейтральной. Из-за частичной рекомбинации электронов и дырок нейтральность базы нарушается. Для ее восстановления, т.е. для восполнения положительного заряда дырок, в установившемся режиме работы от источника напряжения U_эб в базу вводится необходимое число дырок, которые образуют рекомбинационный ток базы. Физически это соответствует оттоку избытка электронов к источнику U_эб. Кроме того, в цепи базы протекает ток , являющийся обратным током коллекторного перехода. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмиттера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следующее соотношение между токами:

. (7.16)

Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Обычно составляет малую долю тока эмиттера, т.е , а, следовательно, можно считать Именно для того, чтобы ток был как можно меньше, базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примеси, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Основные схемы включения.

Выше подразумевалось, что оба напряжения на эмиттере и коллекторе ( и ) отсчитываются относительно базы, принятой за основной электрод, общий для входной и выходной цепи транзистора.

Рис.7.13

Такое включение транзистора (рис.7.13а), позволяющее строго и наглядно изучить его физические свойства и параметры, называют включением с общей базой и обозначают ОБ.

Установим соотношения между токами для схемы с ОБ. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током.

где α – коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора, являющийся основным параметром транзистора; при нормальных токах может иметь значения от 0,95 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к единице. Через коллекторный переход всегда проходит неуправляемый обратный ток коллектора . Таким образом, полный коллекторный ток

(7.17)

Эта схема не обеспечивает усиления по току и обладает малым входным сопротивлением, что делает ее не оптимальной для большинства применений. Однако имеет хорошие частотные и временные характеристики.

Основное применение в схемах находит другое включение - с общим эмиттером (рис.7.12б); обозначают такое включение буквами ОЭ. Коэффициент усиления такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, переменных составляющих токов коллектора и базы.

Преобразуем выражение (7.17) так чтобы выразить зависимость тока от тока базы . Заменим суммой :

Решим это уравнение относительно . Тогда получим

Обозначим

и .

Окончательно получим выражение

.

Здесь β – коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора и составляет десятки единиц, причем, незначительные изменения α приводит к большим изменениям β. Ток - обратный ток коллектора для схемы с ОЭ. Он составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит ток для схемы с ОБ.

Коэффициент усиления по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным напряжением является напряжение U_бэ а выходным – U_кэ. Напряжение на базе не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение на коллекторе достигает единиц, а иногда и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности равным сотням или тысячам. Входное сопротивление составляет от сотен Ом до единиц кОм. Это вытекает из того, что при входном напряжении, равным десятым долям вольта входной ток транзисторов малой и средней мощности составляет десятые доли мА. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление транзистора с ОЭ составляет от единиц до десятков килом. Каскад с ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т.е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180⁰. Недостатки данной схемы – худшие частотные и температурные свойства по сравнению с ОБ. Влияние частоты и температуры на параметры транзистора будут показаны далее.

При включении транзистора с общим коллектором коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ. Однако коэффициент усиления по напряжению близок к единице, причем всегда меньше ее. Выходное напряжение повторяет входное. Входное сопротивление составляет десятки килом, что является важным достоинством схемы. выходное сопротивление, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килом или сотни Ом.

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения транзисторов сведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Параметр	Схема ОБ	Схема ОЭ	Схема ОК
Ki коэффициент усиления по току	Немного меньше единицы	Десятки – сотни	Десятки – сотни
Ku коэффициент усиления по напряжению	Десятки – сотни	Десятки – сотни	Немного меньше единицы
Kp коэффициент усиления по мощности	Десятки – сотни	Сотни - десятки	Десятки – сотни
Rвх входное сопротивление	Единицы - десятки Ом	Сотни Ом – единицы кОм	Десятки – сотни кОм
Rвых выходное сопротивление	Сотни Ом – единицы МОм	Единицы - десятки кОм	Сотни – десятки кОм
Фазовый сдвиг	0	1800	0

Характеристики биполярных транзисторов.

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. Характеристики необходимы для рассмотрения свойств транзисторов и для практических расчетов транзисторных схем.

В транзисторах взаимно связаны четыре величины: i₁, i₂, u₁, u₂ - входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством это показать нельзя. Необходимо два семейства характеристик. Наиболее удобно рассматривать семейство входных характеристик i₁=f(u₁) вместе с семейством выходных характеристик i₂=f(u₂).

Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Пользуясь характеристиками, надо обращать внимание на то, к какой схеме они относятся. Рассмотрим основные характеристики для наиболее распространенных схем 0 с общей базой и общим эмиттером. Эти характеристики приводятся в справочной литературе.

Для схемы с общей базой входным током является ток эмиттера. Поэтому входные характеристики аналогичны характеристике для прямого тока диода, поскольку ток эмиттера является таким током (рис.7.14б).

При u_кб=0 характеристика идет из начала координат, так как ток равен 0. А если u_кб>0, то характеристика проходит немного выше, т.е. возникает ток эмиттера, и при u_эб=0 протекает небольшой начальный ток i_эн.. Условие u_зб=0 соответствует короткому замыканию эмиттера и базы. Характеристики для различных u_кб расположены очень близко друг к другу, и в справочниках приводится только одна характеристика для некоторого нормального u_кб. Малое влияние напряжения u_кб на ток эмиттера объясняется тем, что поле, создаваемое напряжением u_кб, сосредоточено в коллекторном переходе.

На рис.7.14а показано семейство выходных характеристик . Они даются для постоянных значениях тока эмиттера . При характеристика проходит через начало координат. Рабочие участки выходных характеристик для различных представляют собой прямые линии, идущие с небольшим наклоном, что означает малое влияние напряжения на ток коллектора.

Рис. 7.14.

Рассмотрим характеристики транзистора, включенного по схеме с ОЭ.

На рис.7.15а даны выходные характеристики , а на рис.7.15б – входные характеристики

Главные отличительные черты включения ОЭ от включения ОБ сводятся к следующему:

• Кривые коллекторного семейства не пересекают ось ординат и полностью расположены в квадранте. Это легко понять из соотношения ; кривые ОЭ получаются путем сдвига кривых ОБ (рис.7.14а ) на величину , которая тем больше, чем больше ток.

• Кривые коллекторного семейства менее регулярны, чем в схеме ОБ: они имеют гораздо больший, неодинаковый наклон и заметно сгущаются при больших токах. Ток при оборванной базе (когда ) намного больше тока при оборванном эмиттере и зависит от выходного напряжения. Входной ток базы может иметь не только положительную, но небольшую отрицательную величину (т.е. для транзистора вытекать из базы).

• Кривые базового семейства по сравнению с эмиттерным семейством не только имеют другой масштаб тока, но сдвинуты вниз на величину тока , который протекает в базе тогда, когда ток . Кроме того, кривые несколько более линейны, чем при включении ОБ.

а) б)

Рис.7.15

Параметры и эквивалентные схемы транзистора.

Параметры транзисторов являются величинами, характеризующие их свойства. С помощью параметров можно сравнивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы. Для транзисторов предложено несколько различных систем параметров и эквивалентных схем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки.

Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют физические свойства самого транзистора независимо от схемы включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны.

Статические параметры транзистора для транзистора, включенного по схеме с общей базой.

Большому классу так называемых линейных электронных схем свойственен такой режим работы транзистора, при котором на фоне сравнительно больших постоянных токов и напряжений действуют малые переменные составляющие. Именно эти составляющие представляют в таких схемах основной интерес.

Постоянные и переменные составляющие анализируются и рассчитываются раздельно. При анализе переменных составляющих пользуются специальными малосигнальными моделями (эквивалентными схемами), состоящими из линейных элементов. Эти элементы отображают те производные, которые связывают между собой малые приращения токов и напряжений.

К числу основных статических параметров относятся следующие параметры:

1) Дифференциальный коэффициент передачи эмиттерного тока в цепь коллекторного:

. (7.18)

Коэффициент α имеет порядок 0,9 – 0,999.

2) Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении:

. (7.19)

Числовое значение лежит в пределах от единиц до десятков Ом.

3) Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, включенного в обратном направлении:

. (7.20)

Значения лежат в пределах 0,5 – 1Мом.

4) Объемное сопротивление базы .

- поперечное объемное сопротивление базы – сопротивление базовому току. Обычно >> и составляет сотни Ом - единицы кОм.

5) Крутизна

. (7.21)

Так как в транзисторе существует положительная обратная связь, то вводят:

5. Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению:

. (7.22)

Числовое значение составляет 10^-3 – 10^-4.

Статические параметры транзистора для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Для схемы с общим эмиттером и имеют тот же физический смысл, что и в схеме ОБ, а сопротивление коллекторного перехода определяется как

, где - дифференциальный коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора.

Частотные параметры транзисторов.

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. У этого явления две главные причины. Во-первых, на более высоких частотах сказывается вредное влияние емкости коллекторного перехода С_к, которое шунтирует дифференциальное сопротивление коллекторного перехода. На низких частотах сопротивление емкости С_к очень большое, можно считать, что весь ток для схемы с общей базой αI_э идет через r_k. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока. Следовательно, уменьшается дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора, т.е. α становится частотно-зависимым. Аналогичные процессы происходят при включении транзистора с ОЭ, причем емкость коллекторного перехода в (1+β) больше, чем при включении транзистора с ОБ, т.е. С_к^*=С_к(1+β). Итак, вследствие влияния емкости С_к Уменьшаются коэффициенты α и β.

Вторая причина снижения усиления на более высоких частотах – отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. За счет этого сдвига на высоких частотах возрастает ток базы, в результате чего снижается коэффициент усиления по току β. Таким образом, при повышении частоты коэффициент β уменьшается значительно сильнее, нежели α. Отсюда ясно, что схема с ОЭ по сравнению со схемой ОБ обладает значительно худшими частотными свойствами.

Частотные свойства принято характеризовать рядом параметров:

1.Предельными частотами для схем с ОБ и ОЭ. Эти частоты обозначают соответственно и . Предельной частотой коэффициента передачи тока называют такую частоту, на которой модуль передачи тока уменьшается в раз по сравнению с его низкочастотным значением. Поскольку β уменьшается гораздо сильнее, чем α, то β значительно ниже α. Можно считать, что

2. Граничной частотой коэффициента передачи тока базы в схеме с ОЭ называют такую частоту , на которой модуль коэффициента передачи тока базы в цепь коллектора равен единице, т.е. при этой частоте транзистор с ОЭ перестает усиливать ток.

Улучшение частотных свойств транзисторов, т.е. повышение их предельных частот усиления и , достигается уменьшением емкости коллекторного перехода и времени пробега носителей через базу. К сожалению, снижение емкости путем уменьшения площади коллекторного перехода приводит к уменьшению предельного тока, т.е. к снижению предельной емкости. Для уменьшения времени пролета носителей через базу стараются сделать базу очень тонкой и увеличить скорость носителей в ней. Но при более тонкой базе уменьшается напряжение пробоя базы. Электроны при диффузии обладают большей подвижностью, нежели дырки. Поэтому транзисторы n-p-n типа при прочих равных условиях являются более высокочастотными, чем транзисторы p-n-p типа. Увеличение скорости пробега носителей через базу достигается также и в транзисторах, у которых в базе создано электрическое поле, ускоряющее движение носителей.

Для аналитического расчета цепей с транзисторами используют эквивалентные схемы. В настоящее время существуют три различных типа эквивалентных схем, в основу которых положены три принципиально разных метода анализа.

Первый метод сводится к составлению так называемых физических эквивалентных схем, которые с определенной степенью точности отражают физические свойства активных элементов. В связи с тем, что физические свойства в активном элементе можно моделировать различными электрическими схемами, существует большое число физических эквивалентных схем, каждой из которых соответствует своя система физических параметров. Основное преимущество физических эквивалентных схем состоит в том, что их параметры оказываются связанными с физическими параметрами активных элементов. Однако физические эквивалентные схемы не позволяют создавать единых методов анализа радиотехнических каскадов усилительных (например, усилительных каскадов). Поэтому физические эквивалентные схемы целесообразны при анализе схем, в которых используется лишь один тип активного элемента (для биполярного транзистора Т-образная физическая схема и для полевого транзистора П-образная физическая схема).

Для аналитического расчета цепей с биполярными транзисторами в зависимости от схемы включения транзистора существуют три разновидности физических эквивалентных схем по переменному току, которые представлены в таблице 7.2.

При необходимости проведения широкого анализа схем более удобными оказываются эквивалентные схемы, построенные на основе линейных активных четырехполюсников. Выбор системы уравнений может быть сделан только для конкретного устройства и зависит от того, какая из них большие практические преимущества (удобство экспериментальных измерений параметров, простота математических выкладок, возможность сравнения со справочными данными). При этом используются вторичные параметры транзистора, которые связывают входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами. Вследствие нелинейности транзистора вторичные параметры изменяются при изменении режима и при больших амплитудах.

Таблица 7.2

В настоящее время основными считаются смешанные (или гибридные) параметры, обозначаемые буквой h или H. Именно h-параметры приводятся во всех справочниках. Их удобно измерять. Это весьма важно, так как в справочниках содержатся усредненные параметры, полученные в результате измерений параметров нескольких транзисторов данного типа.

Для того чтобы найти h-параметры и определить их физический смысл, нужно записать уравнения h -типа через приращения:

(7.23)

Для того чтобы определить h-параметры, нужно осуществить два опыта: опыт короткого замыкания по переменному току на выходе (Δu₂=0) и опыт холостого хода на входе (Δi₁=0).

Тогда получаем :

1. Входное сопротивление

при (7.24).

2. Коэффициент передачи тока

при (7.25).

3. Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.26).

4. Выходная проводимость

при (7.27).

Зависимость между амплитудами токов и напряжений в транзисторе при использовании h-параметров можно выразить следующей системой уравнений:

(7.28).

Системе уравнений (7.28) соответствует эквивалентная схема, изображенная на рис. 7.16

Рис. 7.16

В ней генератор напряжения показывает наличие напряжения обратной связи во входной цепи. Сам генератор надо считать идеальным, т.е. не имеющим внутреннего сопротивления. Генератор тока в выходной цепи учитывает эффект усиления тока а является внутренней проводимостью этого генератора. Хотя и выходная и входная цепи кажутся не связанными друг с другом, на самом деле эквивалентные генераторы учитывают взаимосвязь этих цепей.

В зависимости от того , к какой схеме относятся параметры, дополнительно к цифровым индексам ставятся буквы: «э» - для схемы ОЭ, «б» - для схемы ОБ, «к» - для схемы ОК.

Рассмотрим h-параметры для схем ОЭ и ОБ и приведем их выражения для транзисторов небольшой мощности.

Для схемы ОЭ . , , , и поэтому h-параметры определяются по следующим формулам:

1. Входное сопротивление

при (7.29)

и получается от сотен Ом до единиц кОм.

2. Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.30)

и обычно равен 10^-3-10^-4, т.е. напряжение, передаваемое с выхода на вход за счет обратной связи, составляет тысячные или десятитысячные доли выходного напряжения.

3. Коэффициент усиления тока есть известный нам параметр

при (7.31)

и составляет десятки – сотни.

4. Выходная проводимость

при (7.32)

и равна десятым или сотым долям мСм, а выходное сопротивление получается от единиц до десятков кОм.

Для схемы ОБ . , , , и поэтому h-параметры определяются по следующим формулам:

1. Входное сопротивление

при (7.33)

и составляет единицы или десятки Ом.

2. Коэффициент обратной связи по напряжению

при (7.34)

и обычно равен 10^-3-10^-4, имеет тот же порядок, что и для схемы ОЭ.

3. Коэффициент усиления тока есть известный нам параметр

при (7.35)

и обычно равен 0,95- 0,998.

4. Выходная проводимость

при (7.36)

и равна единицам мкСм, а выходное сопротивление обычно сотни кОм, т.е. значительно выше, чем в схеме с ОЭ.

При любой схеме включения h-параметры связаны с собственными параметрами.

Кроме системы h-параметров пользуются также системой проводимостей, или y-параметрами.

Для того чтобы найти y-параметры и определить их физический смысл, нужно записать уравнения y -типа через приращения:

(7.37)

Для нахождения y-параметров, нужно осуществить два опыта: опыт короткого замыкания по переменному току на выходе (Δu₂=0) или на входе (Δu₁=0).

Тогда получаем:

1. Входная проводимость

при (7.38).

Нетрудно видеть, что y₁₁ является величиной, обратной h₁₁.

2. Проводимость управления (крутизна)

при (7.39).

Величина y₂₁ характеризует управляющее действие входного напряжения u₁ на выходной ток i₂ и показывает изменение i₂ при изменении u₁ на 1В; значение y₂₁ – десятки и сотни миллиампер на вольт (миллисименс).

3. Проводимость обратной связи

при (7.40).

Параметр y₁₂ показывает, какое изменение тока i₁ получается за счет обратной связи при изменении выходного напряжения u₂ на 1В.

4. Выходная проводимость

при (7.41).

Заметим, что y₂₂ и h₂₂ являются разными величинами, так как они определяются при разных условиях (Δu₁=0 и Δi₂=0).

Зависимость между амплитудами токов и напряжений в транзисторе при использовании y-параметров можно выразить следующей системой уравнений:

(7.42).

Для системы y-параметров может быть применена эквивалентная схема, изображенная на рис.7.17 и соответствующая системе уравнений (7.42)

Рис.7.17

В этой схеме генератор тока y₂₁U_m1 учитывает усиление, создаваемое транзистором, а генератор y₁₂U_m2 – внутреннюю обратную связь в транзисторе.

Иногда транзистор представляют в виде П-образной эквивалентной схемы с проводимостями (рис.7.18), которые связаны с y-параметрами следующими соотношениями:

(7.43)

Рис.7.18

Разновидности дискретных транзисторов.

Существующие типы транзисторов классифицируются по методу изготовления, применяемым материалам, особенностям работы, назначению, мощности, диапазону рабочих частот и другим признакам. Исключительно широкое распространение получили биполярные транзисторы, имеющие два p-n перехода. Следует различать два вида таких транзисторов: дрейфовые, в которых основным механизмом движения неосновных носителей заряда через базу является дрейф, т.е. под действием укоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такое движение осуществляется главным образом посредством диффузии.

Бездрейфовые транзисторы имеют по всей базовой области одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля, и носители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем электрическом поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначены для более низких частот. нежели дрейфовые.

В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору, поэтому повышается предельная частота и коэффициент усиления тока. Электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей базовой области, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления p-n перехода. Транзисторы, изготовленные таким методом, называются диффузионными.

Рассмотрим теперь основные типы транзисторов, различаюшиеся по конструкции и принципу изготовления переходов.

Бездрейфовые транзисторы могут иметь сплавные переходы, полученные по такой же технологии, как у диодов. В сплавных транзисторах невозможно сделать очень тонкую базу, и поэтому они предназначены только для низких и средних частот. Мощные сплавные транзисторы имеют увеличенную площадь переходов. Сплавные транзисторы выпускаются на мощность от нескольких милливатт до десятков ватт. Их достоинство в том, что на коллекторном и эмиттерном переходе можно допустить обратное напряжение 50-70 В, для германия и 70- 150 В для кремния. Сравнительно малые сопротивления эмиттера, базы и коллектора позволяют получать в сплавных транзисторах большие токи в импульсном режиме. Однако предельную частоту f_α не удается сделать выше 20МГц. Недостатком сплавных транзисторов является также значительный разброс параметров и характеристик.

Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты, в десятки раз более высокие, нежели у сплавных транзисторов. Это объясняется, прежде всего, уменьшением времени пролета носителей в базе. Как правило, при изготовлении дрейфовых транзисторов применяется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным, и тогда его емкость гораздо меньше, чем емкость сплавных переходов. За счет малой толщины базы коэффициенты усиления α и β значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Важно также, что метод диффузии позволяет изготовлять транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.

Сплавно-диффузионные транзисторы отличаются тем, что у них базовая область и коллекторный переход изготовлены методом диффузии, а эмиттерный переход – методом вплавления. Такие транзисторы имеют рабочие частоты до сотен мегагерц, но рассчитанные на небольшие мощности (100-150мВт). Эмиттерный переход в них получается малой толщины, и поэтому может выдержать только низкие обратные напряжения.

Конверсионные транзисторы интересны тем, что у них может быть получен тонкий базовый слой большой площади, необходимый для изготовления более мощных высокочастотных транзисторов. В конверсионных транзисторах диффузионный эмиттерный переход образуется за счет обратной диффузии примеси из полупроводника в металл эмиттерного электрода. Для этой цели служит пластинка германия (исходный материал) содержашая одновременно донорные и акцепторные примеси. В качестве последней применяется медь, которая при вплавлении эмиттерного сплава энергично диффундирует из германия в эмиттер. Благодаря этому в слое германия, прилегающем к эмиттеру, резко снижается концентрация акцепторной примеси и образуется слой базы с электронной проводимостью. Такой процесс перемены типа проводимости называют конверсией.

Транзисторы конверсионного типа имеют малую емкость коллектора и могут работать при относительно высоких напряжениях коллекторного перехода. Эти транзисторы обладают хорошей стабильностью и малым разбросом параметров, а также удобны в производстве. Их недостаток – низкое максимальное обратное напряжение эмиттерноно перехода.

В мезатранзисторах применяется мезаструктура. Такие транзисторы изготавливаются сразу в большом количестве из одной пластины исходного полупроводника, что уменьшает разброс параметров. На поверхности этой пластины. Которая должна служить коллектором, методом диффузии создают слой базы толщиной в несколько микрометров. Для каждого транзистора в этот слой вплавляют маленькие капли сплавов для образования эмиттерной области и вывода от базы. Такие транзисторы имеют малые емкости переходов (С_к мене 2 пФ), малое сопротивление r_б и могут работать на частотах до сотен мегагерц.

Наилучшими из диффузионных являются планарные транзисторы. Такие транзисторы обладают хорошими качествами и получили большое распространение. Они удобны в производстве и могут быть изготовлены на различные мощности с высокими предельными частотами.

Планарно-эпитаксиальные транзисторы являются дальнейшим развитием планарных транзисторов. У планарных транзисторах велико сопротивление коллекторной области, что невыгодно. Например. При импульсной работе в режиме насыщения у транзистора большое сопротивление насыщения. Если уменьшить удельное сопротивление материала коллектора. То возрастает емкость С_к и снижается пробивное напряжение коллекторного перехода. Эти недостатки устраняются в эпитаксиальных транзисторах.

Существует ряд других особых типов транзисторов. Наибольший интерес представляют лавинные транзисторы, работающие в режиме размножения носителей, т.е. при напряжении U_кб, превышающем допустимое напряжение для нормальной работы в режиме усиления. При некоторых условиях лавинные транзисторы имеют отрицательное выходное сопротивление и α >1. Это позволяет применять их в импульсных устройствах для генерации коротких импульсов и переключения.