6.6. Основные свойства, характеристики и типы биполярных транзисторов

К транзисторам относят полупроводниковые приборы с тремя электродами, которые служат для усиления или переключения сигналов. Для изготовления транзисторов наиболее часто используют кремний и германий. В соответствии с этим различают кремниевые и германиевые транзисторы.

К классу широко распространенных биполярных транзисторов относят полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда.

Инжекцией называется введение (нагнетание) носителей заряда через p-n-переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера (прямое включение перехода).

Экстракцией называют процесс «отсоса» неосновных носителей заряда при обратном включении напряжения.

В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p-типа и n-p-n-типа. Упрощенная схема p-n-p-транзистора показана на рис.6.30.

Рис.6.30. Структура p-n-p-транзистора

На рис.6.31 показано условное обозначение p-n-p и n-p-n-транзистора.

Рис.6.31. Условное обозначение транзисторов

При подключении транзистора к одному переходу прикладывается прямое, к другому обратное напряжение.

Переход, к которому при нормальном включении приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а его соответствующий вывод – эмиттером (э). Переход к которому при нормальном включении приложено обратное напряжение, называют коллекторным, а вывод – коллектором (к). Средний слой называют базой (б).

Допустимо обратное включение переходов, его называют инверсным включением. При инверсном включении параметры транзистора сильно изменяются.

На рис.6.32 показана схема движения носителей зарядов в нормально включённом транзисторе.

Рис.6.32. Схема движения носителей зарядов в транзисторах

При таком включении эмиттерный переход смещается в прямом направлении, коллекторный – в обратном.

Толщина базы конструктивно выполняется во много раз меньше диффузной длины, поэтому неосновные носители в базе не успевают рекомбинировать. Т.е., если дырки попадают в базу, они ее просто «проскакивают».

При смещении эмиттера в прямом направлении дырки из эмиттера переходят в базу, а электроны из базы в эмиттер, причем из-за высокого сопротивления базы в ней преобладает дырочный ток. Дырки, попавшие в базу, создают вблизи p-n-перехода электрический заряд, который компенсируется электронами, приходящими из внешнего источника U_эб. Приток электронов в базу из внешней цепи создает электрический ток I^′_б, который направлен из базы.

Инжектированные в базу носители заряда и носители заряда, компенсирующие их заряд, движутся вглубь базы к коллектору, проходят базу вследствие малости ее толщины и попав в ускоряющее поле вблизи коллекторного перехода, втягиваются в коллектор. Электроны, ушедшие через коллекторный переход, уходят через базовый вывод, создавая ток I^′′_б. Дырки в базе являются неосновным носителем и поэтому свободно проходят через запертый коллекторный p-n-переход в область коллектора.

Поскольку дырки дают только часть тока эмиттера, то ток коллектора меньше тока эмиттера и определяется формулой

I_k=I_э,

где <1 – коэффициент передачи эмиттерного тока с учетом обратного, неуправляемого тока базы I_кб, общий ток коллектора определяется соотношением

I_k=I_э+ I_кб (6.4)

Изменение напряжения, приложенного к эмиттерному переходу будет менять ток I_э, а следовательно и I_k.

Таким образом для изменения тока коллектора по определенному закону необходимо по этому же закону изменять ток эмиттера путем использования напряжения U_эб. Одной из важных характеристик транзистора является его коэффициент усиления по току, определяемый соотношением =I_k/I_б.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигнала, различают 3 схемы включения транзистора (рис.6.33). На рисунке 6.33 приведены схемы включения транзистора p-n-p типа: а) – с общей базой; б) – с общим эмиттером; в) – с общим коллектором.

Рис.6.33. Варианты схем включения транзистора

На этих рисунках источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току. Для расчетов схем, содержащих транзисторы, используют их входные и выходные характеристики. На рис.6.34 приведена передаточная характеристика транзистора n-p-n-типа, а на рис.6.35 – семейство его выходных характеристик для фиксированных значений напряжений U_бэ.

Рис.6.34. Передаточная характеристика.

Рис.6.35. Семейство выходных характеристик.

Часто графики выходных характеристик строят для фиксированных токов базы (i_б=0, i_б=i_б1, i_б2…).

Особенностью транзистора является то, что его коллекторный ток мало изменяется после достижения U_кэ определенного значения. Напряжение, при котором на выходной характеристике появляется изгиб, называется напряжением насыщения. Другой особенностью транзистора является то, что при малых изменениях входного напряжения, его выходной ток изменяется в достаточно широких пределах, что хорошо иллюстрируется рисунком 6.24. Передаточная характеристика транзистора, как и диода, описывается экспоненциальной зависимостью вида

(6.5)

Изменение коллекторного тока в зависимости от U_бэ характеризуется крутизной S.

(6.6)

Эта величина может быть рассчитана с использованием выражения (6.5)

, (6.7)

т.е. крутизна пропорциональна коллекторному току и практически не зависит от индивидуальных свойств транзистора.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным входным сопротивлением.

Для инженерных расчетов принимают:

r_кэ=U_э/I_к ,

где U_э - коэффициент пропорциональности, называемый напряжением Эрми. Типовое значение U_э находится в пределах 80…200 В для n-p-n транзисторов и 40…150 В для p-n-p транзисторов.

С определённой степенью точности выходное сопротивление транзистора может быть определено по его выходным характеристикам из соотношения при фиксированном токе базы (или напряженииU_бэ).

Входная цепь транзистора характеризуется дифференциальным входным сопротивлением

Это сопротивление можно определить по входной характеристике I_б=f (U_бэ), типовой график которой приведен на рисунке 6.36. С определённой степенью точности можно считать, что .

Рис.6.36. Входная характеристика транзистора

Режим работы транзистора, при котором токи коллектора соизмеримы с обратным током коллектора I_ко, называют режимом отсечки, а область выходных характеристик вблизи оси напряжений, называют областью отсечки. В этой области оба перехода смещены в обратном направлении.

В активном режиме, в котором транзисторы обычно работают в качестве усилителей, протекающие токи приводят к выделению тепла в коллекторном переходе, на котором мощность определяется в соответствии с выражением

P_k=I_k^.U_кб

Чтобы транзистор не перегревался, должно выполняться неравенство

P_k  P_kmax ,

где P_kmax – максимально допустимая мощность.

В активном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Если оба перехода смещены в прямом направлении, то такой режим называется режимом насыщения.

Для нормальной работы транзистора должны одновременно соблюдаться 3 условия:

P_k  P_{k max}

I_k  I_{k max}

U_кэ  U_{кэ max} ,

где I_{к max} и U_{кэ max} – максимально допустимые параметры по коллекторному току и напряжению коллектор-эмиттер.

На рис.6.37 для выходных характеристик транзистора показаны режимы работы транзистора и область его безопасной работы

Рис.6.37. Режимы работы транзистора

Для часто используемой схемы с общим эмиттером с учетом выражения 6.4, а также с учетом того, что

I_э=I_к+I_б

справедливо соотношение

I_к=(I_к+I_б)+I_ко,

откуда

(6.8)

В последнем выражении коэффициент

называется статическим коэффициентом передачи базового тока. Типовые значения

Если ввести обозначение то выражение (6.8) преобразуется в выражение

(6.9)

Это выражение в первом приближении описывает выходные характеристики работы транзистора без учета наклона характеристик.

С учетом наклонов последнее выражение преобразуется в выражение вида:

,

где .

При расчете электронных схем, содержащих транзистор, используют их эквивалентные схемы и соответствующие математические модели. В настоящее время известно несколько вариантов таких моделей.

Один из них – вариант модели Эберса-Молла представлен на рис.6.38.

Рис.6.38. Математическая модель по Эберсу-Моллу

В этой схеме ₁ – статический коэффициент передачи коллекторного тока в область эмиттера, I_кт и I_эт – тепловые токи коллектора и эмиттера. Источники тока отражают взаимодействие p-n-переходов. Используя первый закон Кирхгофа, можно записать

Практически используемые модели дополняются сопротивлениями и конденсаторами переходов, аналогичных тому, как это делается в моделях диодов.

Упрощенные математические модели принято называть эквивалентными схемами. При работе на активном участке в первом приближении входные и выходные характеристики транзистора можно считать линейными, в связи с чем эквивалентную схему транзистора можно представить, можно представить в виде рис. 6.39.

Рис.6.39. Эквивалентная схема транзистора

Здесь r_б и r_э – сопротивление базового и эмиттерного слоя соответственно. Иногда вместо r_э включают идеальный диод VD, который во включенном состоянии заменяют «закороткой», а в выключенном – «разрывом» цепи, емкость С^′_к включается при анализе схемы на переменном токе. С некоторым приближением можно считать, что:

,

где C_k – барьерная емкость коллекторного перехода.

Для этой схемы справедливо соотношение: .

Графический анализ транзисторных схем осуществляется с использованием линии нагрузки, аналогично графическому анализу диодных схем, но линии нагрузки строят для входной и выходной цепи. Рассмотрим технику графического расчета на примере схемы, представленной на рис. 6.40.

Рис.6.40. Вариант схемы включения транзистора

Для входной цепи уравнение линии нагрузки имеет вид:

E_б=I_бR_б+U_бэ.

Для выходной цепи:

E_к=I_кR_к+U_кэ.

Если E_б достаточно велико, напряжением U_бэ можно пренебречь.

Для входной цепи график линии нагрузки на входной вольт-амперной характеристике имеет вид, представленный на рис.6.41, в соответствии с этим рисунком определяется ток базы I_б^*.

Рис.6.41. Линия нагрузки для входной цепи

Для выходной цепи график линии нагрузки изображен на рис.6.42.

Рис.6.42. Линия нагрузки для выходной цепи

Искомые параметры определяются по точке пересечения линии нагрузки, пересекающей кривую тока I_бj ближайшую к . В нашем случае это I_б2. Найденную точку О называют начальной рабочей точкой. Относительно нее определяются , , .

При использовании аналитических методов расчета в анализируемых схемах транзистор заменяется на эквивалентную схему. Для схемы рис.6.40, при использовании эквивалентной схемы рис.6.39, получаем схему для соответствующих аналитических расчетов, представленную на рис.6.43.

Рис.6.43.Схема для аналитического метода расчета

Для этой схемы:

При анализе электронных схем обычно используются транзисторы, работающие в активном режиме. В этом случае транзисторы представляют в виде четырехполюсников, в которых изображают транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис.6.44).

Рис. 6.44. Представление транзистора четырехполюсника

Для схемы с общим эмиттером введены следующие обозначения: I₁ – переменная составляющая тока базы; U₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером; I₂ – переменная составляющая тока коллектора; U₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером. Для описания такого четырехполюсника вводится 4 так называемых h-параметра, для которых выполняется условие

или в другой форме

U₁=h₁₁^.I₁+h₁₂^.U₂

I₂=h₂₁^.I₁+h₂₂^.U₂.

Коэффициенты h_ij определяют опытным путем, например, h₁₁ определяют при коротком замыкании выхода (U₂=0), тогда . Из последнего соотношения видно, что h₁₁ представляет собой входное сопротивление транзистора.

В режиме холостого хода на входе (I₁=0) измеряют параметр . Коэффициент передачи тока определяется в режиме короткого замыкания на выходе по формуле . Выходная проводимость определяется в режиме холостого хода на входе из соотношения.

Для описания работы транзисторов на переменном токе и в импульсных схемах необходимо учитывать соответствующие емкости переходов, которые приводят к временным задержкам в срабатывании.

На рис.6.45 представлена временная диаграмма изменения коллекторного тока при скачкообразном изменении тока эмиттера. Включение эмиттерного тока приводит к скачкообразному изменению тока базы, что объясняется накоплением зарядов в базе транзистора.

Рис.6.45. Временные диаграммы работы транзистора

После накопления зарядов ток базы определяется значением статического коэффициента передачи базового тока . Ток коллектора возникает с некоторой задержкойt_З, когда электроны, инжектированные эмиттером, достигнут коллектора и далее плавное нарастание коллекторного тока t_H объясняется хаотичностью движения электронов и различной их скоростью.

На переменном токе при анализе транзисторных схем вместо статического коэффициента используют дифференциальные коэффициенты передачи эмиттерного и базового тока, зависящие от частоты преобразуемого сигнала.

При этом модуль коэффициента передачи тока базы определяется формулой

,

где  - частота тока управления транзистором, - предельная частота работы транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

На рис. 6.46 приведен типовой график изменения дифференциального коэффициента передачи базового тока от частоты.

Рис.6.46. Частотная характеристика

Частоту, на которой дифференциальный коэффициент передачи базового тока падает до уровня 0,7 называют предельной частотой работы транзистораf_пр. Частоту, на которой прекращаются усилительные свойства транзистора () называют граничной частотойf_гр.

График рис.6.46 характеризует то свойство транзисторных схем, что с ростом частоты их усилительные свойства уменьшаются.

При обозначении различных типов транзисторов используют буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор, второй элемент (буква) определяет подкласс (группу) транзисторов, третий (цифра) – основные функциональные возможности транзистора, четвертый – число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов, пятый элемент – буква – условно определяет классификацию по параметрам транзисторов, изготовляемых по единой технологии (рис.6.47).

Например, обозначение КТ937А-2 определяет кремниевый биполярный транзистор большой мощности, номер разработки 37, группа А, безкорпусной, с гибкими выводами на кристаллодержателе.

Рис.6.47. Схема обозначения транзисторов.