10.4. Біполярний транзистор

Біполярний транзистор – монокристал напівпровідника, який складається з трьох областей із чергуючими типами провідності p-n-p або n-p-n. Струм у ньому виникає при русі носіїв заряду двох знаків – електронів і дірок.

Рис. 10.8. Структура і умовні позначення транзисторів n-p-n-типу (а) і p-n-p-типу (б)

Кристал біполярного транзистора має дві області провідністю одного і того ж типу, розділених тонким шаром протилежного типу електропровідності. Ці області називають відповідно емітером (Е), колектором (К) і базою (Б). Залежно від порядку чергування областей з провідністю n- і р-типу розрізняють транзистори структури n-p-n (рис. 10.8, а) і p-n-p (рис. 10.8, б). Наявний між емітером і базою p-n перехід називають емітерним, між колектором і базою – колекторним. Концентрація носіїв заряду в емітері є високою, в області колектора – більш низькою, а в області бази – на два-три порядки нижча, ніж в емітері.

П ринцип роботи. Для створення струмів і керування ними між електродами транзистора прикладають напруги. Залежно від їх полярності і величини розрізняють режими роботи транзистора: активний (на емітерному переході напруга пряма, на колекторному – обернена); відсічки або запирання (на обох переходах створюються обернені напруги); насичення (до емітерного і колекторного переходів підводяться прямі напруги); інверсний (до емітерного переходу підводиться обернена напруга, до колекторного – пряма, емітер виконує роль колектора, колектор – роль емітера).

Рис. 10.9. Транзистор при відсутності зовнішніх напруг:

а - схематичне зображення структури; б - розподіл концентрації носіїв заряду; в — розподіл потенціалу

Розглянемо процеси в транзисторі структури n-p-n (рис. 10.9, а), включеного за схемою з загальною базою в активному режимі. Концентрації носіїв заряду в областях емітера й колектора відрізняються мало (рис. 10.9, б). Базовий шар є високоомним, концентрація носіїв заряду в ньому на два-три порядки нижча, ніж у еміттері. При відсутності зовнішніх напруг на границях розділу областей напівпровідника з'являються об'ємні заряди і між шарами виникає деяка різниця потенціалів (рис. 10.9, в). Струми через переходи не проходять.

Для створення активного режиму до емітерного переходу підводять керуючу пряму напругу u_ЕБ (частки вольта), до колекторного переходу — обернена напруга u_КБ (декілька вольт) (рис. 10.10, а). Напруга u_ЕБ зменшує потенціальний бар'єр на ємітерному переході. Під дією напруги u_КБ збільшується потенціальний бар'єр на колекторному переході і підсилюється електричне поле в ньому (рис. 10.10, б). У результаті зростає число електронів, що переходять з емітера в базу, і число дірок, що рухаються з бази в емітер, тобто збільшуються дифузійні струми і_Еn і і_Ер (рис. 10.10, б). Інжекція електронів в область бази викликає підвищення їхньої концентрації поблизу переходу. У базі накопичуються неосновні носії заряду.

Рис. 10.10. Транзистор в активному режимі:

а — схематичне зображення структури; б — розподіл потенціалу; в — потоки носіїв заряду

Оскільки концентрація електронів в області бази стає неоднаковою, відбувається їхня дифузія в бік колектора. Електрони, що підійшли до колекторного переходу, захоплюються його полем і перекидаються в область колектора. Створюється колекторний струм і_Кn, який проходить по зовнішньому колі. Для появи його дуже важливо, щоб товщина бази w_б була набагато меншою дифузійної довжини пробігу електронів у ній L_n: w_б <L_n.

Коли пряма напруга на емітерному переході понижується, відбувається зменшення дифузійного струму переходу і концентрації сумарного заряду неосновних носіїв - розсмоктування носіїв заряду в базі. Спостерігається зменшення електронної складової струму емітера і_Еп і електронної складової струму колектора і_Кп.

Пряма напруга на емітерому переході викликає також перехід дірок з області бази в область емітера і появу діркової складової емітерного струму і_Ер. Цей струм проходить у колі бази і емітера. Струм і_Ер можна зменшити шляхом утворення базового шару з малою концентрацією дірок і застосування емітера з високою концентрацією донорної домішки. Через емітерний перехід проходить також невеликий дрейфовий струм, створений при переміщенні неосновних носіїв заряду - електронів з області бази в емітер і дірок з емітера в базу. Якщо цим струмом знехтувати, емітерний струм можна вважати сумою електронної і_Еп і діркової і_Ер складових: і_Е=і_Еп+ і_Ер. Відношення =і_Ер/і_Ер називають коефіцієнтом інжекції (у певній мері він характеризує якість емітерного переходу). Для транзисторів, що випускаються промисловістю, =0,970 - 0.998.

Поява електронів в області бази приводить до рекомбінації деякої частини їх з дірками. У колі бази протікає струм рекомбінації і_Брек. У створенні колекторного струму бере участь не менш, як 0,9 усіх інжектованих в область бази електронів. Для електронних складових струму емітера і колектора виконується рівність: і_Еп=і_Кп+і_Брек. Відношення електронної складової струму колектора до електронного складової струму емітера називають коефіцієнтом переносу електронів у базі: =і_Кп/і_Еп. Значення  зростає зі збільшенням часу життя електронів і скороченням часу їхнього перебування в базі. Перше досягається зниженням концентрації дірок у базі, друге — зменшенням товщини бази і підвищенням швидкості переміщення електронів у ній. Для сучасних транзисторів значення  лежать у межах 0,960—0,997.

Зв'язок між електронною складовою струму колектора і_К і струмом емітера і_Е характеризує коефіцієнт передачі струму емітера :

Крім струму i_Кп, у колі колектора проходить також некерований зворотний струм колекторного переходу І_КБЗ Він обумовлений дрейфом неосновних носіїв заряду з розділених колекторним переходом областей напівпровідника — дірок з області колектора й електронів з області бази. Концентрація неосновних носіїв заряду в напівпровіднику залежить від температури. При кімнатній температурі струм І_КБЗ для малопотужних германієвих транзисторів складає десятки мікроамперів, для кремнієвих – одиниці мікроамперів. Приймаючи І_КБЗ<<i_K, можна вважати і_Кі_Еп.

Таким чином, для струмів транзистора можуть бути записані співвідношення: і_Е=і_К+і_Б; і_Е=і_Еп+і_Ер; і_К=і_Кп+І_КБЗ=і_Еп+І_КБЗі_Еп; і_Б=і_Ер+і_Брек-І_КБЗ; і_Б=і_Е-і_Кі_Е-і_Кп=(1-)і_Е.

Відношення =і_К/і_Б називають коефіцієнтом передачі струму бази. Його значення зв'язане з величиною коефіцієнта передачі струму емітера:

Зміни напруг на колекторному і емітерному переходах супроводжуються зміною ширини цих переходів і товщини бази Відбувається модуляція товщини бази. При підвищенні колекторної напруги товщина бази зменшується. Якщо база стає занадто тонкою, спостерігається ефект змикання - з'єднання колекторного переходу з емітерним. Область бази зникає і транзистор перестає працювати.

У режимі відсічки на емітерний перехід подається зворотна напруга. Інжекції електронів з емітера в область бази немає. Через емітерний перехід проходить невеликий струм неосновних носіїв заряду, у колі колектора наявний зворотний струм колекторного переходу І_КБЗ який визначає наскрізний струм транзистора І_КЕЗ.

Коли відбувається розрив кола бази, напруга u_ЕБ від зовнішнього джерела на емітерний перехід не подається. Здавалося б, як і в режимі відсічки, через транзистор повинен проходити наскрізний струм І_КЕЗ який дорівнює зворотному струму колекторного переходу І_КБЗ. Насправді це не так. Деяка частина напруги u_КБ виявляється прикладеною до емітерного переходу, причому ця напруга для переходу є прямою. Під її дією відбувається інжекція носіїв заряду з емітера в область бази і збільшення колекторного струму. Наскрізний струм виявляється набагато більший струму І_КБЗ. Збільшення колекторної напруги може викликати лавиноподібний ріст наскрізного струму. Експлуатація транзисторів з відключеною базою небажана.

При інверсному включенні транзисторів колектор і емітер міняються місцями. Через транзистор струм проходить, керування ним можливе, але коефіцієнт передачі струму  виходить меншим, ніж для звичайного активного режиму. Емітерний перехід має меншу площу, ніж колекторний, а тому досить велика частина інжектованих у базу носіїв заряду не досягає емітера, коефіцієнт переносу заряду в базі  зменшується.

Аналогічним чином можуть бути розглянуті процеси в транзисторі типу р-п-р. Полярності напруг між електродами і напрямки струмів у них протилежні розглянутим.

Схеми включення транзисторів. При включенні транзисторів один з електродів є загальним для вхідного і вихідного кіл. У залежності від того, який з електродів з’єднується з загальним проводом кола, розрізняють три основні схеми включення транзисторів (рис. 10.11); із загальною базою (ЗБ), загальним емітером (ЗЕ), загальним колектором (ЗК). Для кола з загальною базою вхідний струм – це струм емітера, для інших схем — струм бази. У перших двох випадках у вихідних колах проходить струм колектора, у колі з загальним колектором — струм емітера.

Рис.10.11. Включення транзистора за схемою із загальною базою (а); із загальним емітером (б) і з загальним колектором (в)

Характеристики транзистора. Для відображення зв'язків між величинами вхідних і вихідних струмів і напруг біполярного транзистора використовують два сімейства вольт-амперних характеристик: вхідні i₁=f(u₁) при U₂=const і вихідні i₂=f(u₂) при I₁=const. Вид характеристик залежить від схеми включення транзистора.

Для кола з загальною базою вхідна характеристика (рис. 10.12, а) виражає залежність струму емітера і_Е від напруги емітер - база u_ЕБ: і_Е=f(u_ЕБ) при U_КБ=const (значення напруг і струмів відносяться до малопотужних транзисторів).

Рис. 10.12. Вхідні (а) і вихідні (б) характеристики транзистора для схеми з загальною базою

Вихідні характеристики транзистора для кола з загальною базою (рис. 10.12, б) показують залежність струму колектора i_К від напруги колектор — база u_КБ: і_К=f(u_КБ) при І_Е=const. При розімкнутому колі емітера (І_Е=0) струм колектора є зворотним струмом колекторного переходу і_К=І_КБЗ. Характеристика проходить через початок координат. Вихідні характеристики для інших значень струму емітера проходять вище і майже горизонтально.

Р ис. 10.13. Вхідні (а) і вихідні (б) характеристики транзистора для схеми з загальним емітером

Для кола з загальним емітером вхідна характеристика виражає залежність струму бази і_Б від напруги база — емітер u_БЕ: і_Б=f(u_КЕ) при напрузі U_КЕ=const (рис. 10.13, а).

Вихідні характеристики (рис. 10.13, б) показують залежність струму колектора і_К від напруги колектор — емітер u_КЕ: і_К=f(u_КЕ) при І_Б=const. Характеристики проходять через початок координат, містять круті ділянки, що відповідають різкому зростанню струму колектора при малих напругах u_КЕ (як правило 1—2 В), положисті ділянки, що вказують на слабкий вплив колекторної напруги на струм, і ділянки, що відповідають пробою колекторного переходу.

При обриві кола бази (і_Б=0) через транзистор проходить наскрізний струм І_КЕЗ який по величині набагато більший зворотного струму колекторного переходу І_КБЗ. Пояснюється це спадом напруги на емітерному переході і, як наслідок, інжекцією електронів з емітера в базу. Розрахунки показують, що І_КЕЗ=(1+)І_КБЗ.

Малосигнальні параметри транзисторів. У випадку невеликих приростів (у межах лінійних ділянок характеристик) напруг і струмів у вхідному (u₁, i₁) і вихідному (u₂, i₂) колах транзистора залежність між ними можна вважати лінійною, а транзистор розглядати як лінійний чотириполюсник з постійними коефіцієнтами. Ці коефіцієнти є параметрами транзистора при впливі на нього змінних складових напруг невеликої амплітуди.

Переважно використовується гібридна система параметрів, що називають h- параметрами і визначають на основі залежності між напругами і струмами чотириполюсника:

Для цих функцій повні диференціали напруги du₁ і струму di₂, можна виразити співвідношеннями:

Для частинних похідних вводяться позначення:

Параметр h₁₁ є вхідним опором транзистора і має розмірність опору; h₁₂, h₂₁ — безрозмірні величини. Параметр h₁₂ — коефіцієнт зворотної передачі по напрузі, h₂₁ — коефіцієнт передачі струму. Параметр h₂₂ — це вихідна провідність транзистора.

Значення h-параметрів залежать від схеми включення транзистора, режиму роботи по постійного струму і частоти вхідних напруг. Параметри, віднесені до схеми з загальним емітером, позначають буквою Е (в індексі), а для схеми з загальною базою - відповідно буквою Б.

Параметри транзисторів, придатні для розрахунків кіл при впливі низькочастотних напруг, можуть бути визначені по вольт-амперних характеристиках. Для схеми з загальним емітером:

h_11E=u_БЕ/і_Б при U_KE=const;

h_12E=u_Б/u_KЕ при I_Б=const;

h_21E=і_К/і_Б при U_KE=const;

h_22E=і_К/u_КЕ при І_Б=const.

Для малопотужних транзисторів, включених за схемою з загальним емітером, вхідний опір транзистора h_11E складає сотні ом - одиниці кілоом, коефіцієнт зворотної передачі по напрузі h_12E – 10^-4 – 10^-2, коефіцієнт передачі струму бази h_21E – 20 - 300, вихідна провідність h_22E – 10^-6 – 10^-4.

При впливі напруг високої частоти на транзистор виникають фазові зсуви між напругами і струмами електродів. Тому параметри транзистора в діапазоні високих частот є числами комплексними, а модулі цих чисел відрізняються від значень низькочастотних параметрів транзистора.

Вплив температури на роботу транзисторів. Коливання температури впливають на величину струму транзистора. Особливо сильно виявляється підвищення температури на зворотний струм колекторного переходу І_КБЗ і наскрізний струм транзистора І_КЕЗ. У результаті нагрівання відбувається зсув вихідних характеристик і значень малосигнальних параметрів. При включенні транзистора за схемою з загальною базою забезпечується велика температурна стабільність, і вища чим у випадку включення транзистора за схемою з загальним емітером.

Е квівалентні схеми. Спрощено структуру транзистора і взаємозв'язок між струмами і напругами відображає Т-подібна схема заміщення. У випадку постійного струму (рис. 10.14, а) діоди показують наявність у транзисторі р-п переходів, генератори струму — наявність струму колектора, взаємозалежного з вхідним струмом, і зворотного струму колекторного переходу. Елемент r_Б відображає наявність об'ємного опору бази, а опори r_E і r_K — взаємозв'язок між напругами на переходах і струмами переходів. Схема може бути спрощена, якщо нехтувати малим опором r_E і не показувати наявність невеликого наскрізного струму І_КЕЗ.

Рис. 10.14. Еквівалентні схеми транзистора для постійного (а) і змінного (б) струмів

На еквівалентних схемах транзистора для змінного струму (рис.10.14, б) р-п переходи не показують. Опір бази r_Б є його активним об'ємним опіром (складає сотні ом). Емітерний перехід, зміщений у прямому напрямку, для змінного струму має опір r_E, що є диференціальним опором переходу:

Величина його складає одиниці-десятки ом. Опір r_K для схеми з загальною базою і загальним емітером відповідно дорівнює:

Величина його в першому випадку складає одиниці мегаом, у другому — десятки-сотні кілоом. Перенос струму з емітерної області в колекторну відображений включенням генератора струму. Показана також бар'єрна ємність колекторного переходу С_К.

Частотні властивості транзисторів. В міру збільшення частоти поданої до переходу база — емітер змінної напруги проявляється вплив інерційності процесів нагромадження і розсосування носіїв заряду в базі і в кінцевому результаті переміщення носіїв у ній. Хоча товщина бази мала і інжектовані носії заряду рухаються в ній протягом 0,1—0,5 мкс, на частотах в одиниці мегагерц цей інтервал часу стає співрозмірним з періодом керуючої напруги. Зміни струму колектора «запізнюються» стосовно змін струму емітера і бази, і між ними виникає фазовий зсув. У транзисторах з малою товщиною бази ці фазові зсуви менші. Бази НВЧ-транзисторів мають товщину порядку 0,1 мкм.

Струми електродів транзистора взаємозалежні і для амплітуд змінних складових має місце рівність: . У міру зростання фазового зсуву між струмами і_К і і_Е для одержання однієї і тієї ж амплітуди колекторного струму приходиться збільшувати амплітуду струму бази, що рівнозначно зменшенню коефіцієнта передачі струму.

У пристроях, де застосовуються транзистори, в коло колектора включається навантаження. На величину струму в ньому на високих частотах впливає бар'єрна ємність колекторного переходу С_К. Величину її намагаються зменшити. У НВЧ-транзисторах вона складає менш 1 пФ.

Частотні властивості транзисторів характеризуються граничною частотою коефіцієнта передачі струму — частотою, на якій коефіцієнт передачі струму зменшується за абсолютним значенням в раз у порівнянні з його значенням на низьких частотах. Для кола з загальним емітером цю частоту позначають f_h21E для кола з загальною базою - f_h21Б. Ці частоти взаємозалежні: f_h21E У схемі з загальним емітером часто замість граничної частоти задають граничну частоту коефіцієнта передачі струму f_гp. Це частота, на якій h_21El.

Застосовується також термін максимальна частота генерації f_max — найбільша частота, при якій транзистор може бути використаний в автогенераторі. На цій частоті коефіцієнт підсилення транзистора по потужності знижується до одиниці.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Чому провідність напівпровідника залежить від температури?

2. Поясніть процеси в р-п переході при дії на перехід прямої (оберненої) напруги.

3. Поясніть будову і принцип роботи польових транзисторів з індукованим каналом.

4. Поясніть будову і принцип роботи біполярного транзистора.

5. Дайте визначення основних параметрів транзисторів.

6. Дайте визначення h параметрів транзистора, включеного по схемі з загальним емітером. Поясніть, як за допомогою вхідних і вихідних характеристик транзистора можна визначити параметри h_11Е і h_21Е.

7. Накресліть еквівалентну схему транзистора для змінного струму при включенні по схемі з загальним емітером.