2.4. Біполярні транзистори

2.4.1. Побудова та принцип дГГтранзистора

Транзистором (від TRANSferresISTOR-T:aKHU, що перетворює опір) називається електроперетворювальний НП прилад, який має один або декількар-л переходів, три або більше виводів і здатний посилювати потужність електричного сигналу.

Дещо забігаючи наперед, розглянемо елементарні положення про-Цесу підсилення потужності електричного сигналу.

У найзагальнішому вигляді для підсилення необхідна схема, наведена на рис. 2.9.

Bx.

В она складається з навантаження °„ , джерела живлення £,_жта деякого ппотетичного підсилюючого елемен­та ПЕ.

Малопотужна вхідна дія (Bx. дія) змшюе параметри ПЕ так, що пропор-ційно їй змінюється потужність, яка

виділяється в R_H за рахунок E^. р_ис. ₂.9 - Елементарна схема

якості ПЕ добре було б мати, підсилення

НАПІВПРОВІДНИКОВІПРИЛАДИТАІХСТИСЛАХАРАКТЕРИСТИКА

наприклад, електронний прилад з BAX,

що наведений на рис. 2.10.

Ue>

а)

'ne,,

ехЗ

Е_аж

'ex2

-L/ПЕ

Із залежності /_и = f(U_ex) ~ рис. 2.10,a - видно, що вона являє собою пряму, а значить, пропор­ційним змінам вхідної напруги (вхідної дії) відповідають про­порційні зміни вхідного струму. Це повинно забезпечувати точне ре­агування ПЕ на зміни вхідної дії. Із залежності /_//£ = f(U_liE) -рис. 2.10,6 - виходить, що фіксо­ваній величині вхідної дії, яка про­являється у вигляді фіксованої ве­личини /, відповідає фіксована ре­акція в силовому колі ПЕ, а саме -фіксоване значення I, яке не за-

б)

IlE'

лежить від величини

Рис. 2.10 - BAX гіпотетичного підсилюючого елемента

Тепер, якщо маємо фіксоване значеннянавантаженняй =R „то

н нГ

при зміні / від нуля до нескінченності зміни напруги і струму в силово­му колі будуть відповідати прямій 1 на рис. 2.10, б - пропорційним змінам U_a відповідають пропорційні зміни U_[JE і /_;/ґ Випадку, коли R_H = R_H,, відповідає пряма 2.

Якщо U_nE та І_ПЕ перевищують по величині U_m та /_и, маємо під­силювач, що відтворює в R_H всі зміни вхідної дії.

А тепер подивимось, чи може транзистор виконувати роль ЯЕ?

Широко розповсюджені транзистори з двома p-n переходами, що мають назву біполярних. Термін "біполярний" пов'язаний з наявністю у цих транзисторів носіїв заряду двох різних типів: електронів і дірок. Для виготовлення транзисторів використовують германій і частіше кремній. Двар-и переходи створюють за допомогою тришарової струк­тури з чергуванням областей, що мають електронну і діркову електро­провідності.

У відповідності до чергування областей з різними типами електро-

провідності біполярні транзистори поділяються на два класи n-p-n і p-n-p типу, як показано на рис. 2. 1 1 .

p-n-p

n-p-n

п	р	л	•VT Е x--v /С	Р	п	р	VT Е _s~~\_?
їб				Ts

6)

Рис. 2.1 1 - Схематична побудова таумовне позначення транзисторів

Центральний шар біполярних транзисторів має назву "база". Зовнішній лівий, який є джерелом носіїв заряду (електронів чи дірок) і, головним чином, створює струм приладу, називається "емітером". ГДравий зовнішній шар, що приймає заряди від емітера, називається "колектором". На перехід емітер - база напруга подається у прямому напрямку, тому, навіть при невеликій напрузі через перехід тече знач­ний струм. На перехід колектор - база напруга подається у зворотньо­му напрямку. Зазвичай її величина у декілька разів перевищує напругу на переході емітер - база.

На рис. 2.11 наведені також еквівалентні схеми транзисторів у ви-гаядІ двох діодів (p-n переходів) увімкнених зустрічно. 3 них видно, що така конструкція не те що не може забезпечувати підсилення елект­ричного сигналу, а взагалі непрацездатна - струм від колектора до емітера протікати не може!

Підсилюючі властивості біполярного транзистора забезпечуються щор-п переходи в ньому не незалежні, а взаємодіють один з од-им, що, в свою чергу, забезпечується технологічними особливостями виконання тришарової структури, а саме:

емітер виконано з великою кількістю домішки - він має велику вільних носіїв заряду;

2. база виконана тонкою і має малу кількість основних носіїв заряду;

3. колектор - масивний і має кількість носіїв, меншу, ніж емітер. Розглянемо роботу транзистора типу n-p-n.

Е /є=0	п	Р		п	К fi
					4<J
	L		Б

Рис. 2.12 - Спрощена схема вмикання транзистора

п

р

п

Для початку припустимо, що увімкнено лише перехід колектор - база: до нього прикладено на­пругу Ер як показано на рис. 2.12. Емітерний струм І_£ дорівнює нулю, у транзисторі протікає тільки зворотній струм через ко­лекторний перехід, бо через ньо­го рухаються лише неосновні носії заряду, які й обумовлюють початковий струм І_ко (незначний за величиною).

Рис. 2.13 - Схема вмикання транзистора

Якщо підімкнути емітерне джерело живлення Е_Е, як пока­зано на рис. 2.13, емітерний пе­рехід зміщується у прямому на­прямку, через нього тече струм І_г визначеної величини.

Оскільки зовнішню напругу прикладено до емітерного переходу у прямому напрямку, електрони долають перехід і потрапляють у зону бази, де частково рекомбінують з її дірками. Більшість електронів, які є неосновними носіями для бази, завдяки дрейфу досягають зони ко­лектора, де вони є основними носіями, і, потрапляючи під дію поля E^ утворюють колекторний струм /_г Струм /^практично дорівнює І_£.

Рівняння для струмів транзистора в усталеному режимі має вигляд

І_Е=ІБ+І_К. (2-4)

де І_Б - струм бази.

Зв'язок між струмом емітера і струмом колектора характеризуєть­ся коефіцієнтом передачі струму, що вказує, яка частка повного стру­му через емітерний перехід досягає колектора

I_K_

(2.5)

a =

//

ПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

Для сучасних транзисторів a = 0,9 *• 0,995.

Транзистор p-n-p типу діє аналогічно, тільки струм через прилад зумовлений, головним чином, дірками, а полярність підключення дже­рел живлення протилежна.

2.4.2. Основні схеми вмикання і статичні характеристики біполярного транзистора

Як елемент електричного кола, транзистор зазвичай використовуєть­ся так, що один з його електродів є вхідним, другий вихідним, а третій - спільний відносно входу та виходу. У коло вхідного електроду вми-кається джерело вхідного змінного сигналу, який треба підсилити за потужністю, а у коло вихідного - навантаження, на якому виділяється посилена потужність. Залежно від того, який електрод є спільним для вхідного і вихідного кіл, як це показано на рис. 2.14, розрізняють три схеми вмикання транзисторів:

• зі спільною базою - з СБ;

• зі спільним емітером - з СЕ; >-^7 зі спільним колектором - з CK.

а) б) в)

Рис. 2.14 - Схеми вмикання транзистора:

а)зСБ;б)зСЕ;в)зСК

Слід зазначити, що основні схеми вмикання розглядаються для змінного сигналу.

" схемі з СБ: /^-вхідний струм, /^-вихідний, передатність струму

- ; динамічна - a_dm =

статична - _a =

І_Е

dI_E

и_КБ - const'

ПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

R _ K _

Pcm ~ , —

вхаднІ-

У схемі з СЕ: І_Б - вхідний струм, /_д, - вихідний, передатність струму:

(2.6)

статична —

Is (l_E-I_K}:I_E

Для схеми з СБ статичні характеристики, наведені на рис. 2.15, опису-залежностями:

- const'

динамічна -

U_KK = const'

(2.6)

вихідні-

-=const'

схемі з CK: І_Б - вхідний струм, I - вихідний, — = = 1 + P.

/5 1-а

Для електричних схем на біполярних транзисторах існує чотири сім'ї статичних характеристик («статичних» у тому розумінні, що для транзис­тора задаються фіксовані значення напруги між його електродами або струму в одному з кіл і знаходяться відповідні їм значення струму в друго­му колі або напруги між іншими електродами у статичному режимі):

const

1) сім'я вхідних характеристик /„ = f(U_ex )\_ТТ _

І^вІи ~

(сім'я - тому, що для кожного конкретного значення U маємо свою залежність і = f(U )):

ях ^' ях/'*

/„ = const'

2) сім'я вихідних характеристик і_вш = f(U_aia )

3) сім'я характеристик керування (характеристик прямої передачі)

Л. \| ¹ех)\ТТ — ^eux <

4) сім'я перехідних характеристик (характеристик зворотнього зв'язку)

/<,* = const •

Для кожної схеми вмикання з чотирьох сімей статичних характе­ристик незалежними є лише дві. Для аналізу роботи транзистора та визначення його параметрів використовують частіше перші дві.

| uke=sb J ueb	-\	- ie > 0 Лг - 0 І /.._

а) б)

Рис. 2.15 - BAX транзистора, увімкненого за схемою з СБ: а) вхідні; б) вихідні

3 рисунку видно, що вихідні характеристики майже паралельні oci напруги. Наявність невеликого нахилу (деяке збільшення І_кз ростом ty пояснюється тим, що колекторна напруга має вплив, хоча і слаб­кий, на рух носіїв до колекторного переходу (в основному через зву­ження бази з ростом U_KE за рахунок розширення колекторно-базового переходу).

Вихідна характеристика описується досить точним співвідношенням

І_к=аІ_Е+1_ко+^. (2.8)

ко - зворотний струм колектора, ^гк~ ^нелінійний опір колекторного переходу.

надто мала І стає відчутною лише у зоні, яка пере-

Величина

™^е пробою через зменшення г_к • Тому можна вважати І_к - aI_E + І_ко.

33

При невисоких температурах величиною І_ко також можна знехтувати і тоді /_А = а/_£. Вхідні характеристики утворюють щільний пучок, що пояснюється слабким впливом колекторної напруги на струм емітера. Тому при практичних розрахунках достатньо мати не сім'ю, а одну вхідну характеристику для колекторної напруги, звичайно, величиною 5В(рис.2.15,а).

вхідні -

Для схеми з СЕ статичні характеристики, які наведені на рис. 2.16, є залежностями:

_KE - const

НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

Вихідні характеристики схеми з СЕ мають більший нахил, ніж у схеми з ЗБ (це пояснюється сильнішим впливом колекторної напруги на передатність струму - на коефіцієнт Д), вхідні характеристики більш лінійні.

Характеристики схеми з CK схожі з характеристиками схеми з 3E, тому що в обох схемах вхідним є струм бази, а вихідні струми (/ або /_v) відрізняються незначно. Тому при практичних розрахунках вихідні ха­рактеристики схеми з СЕ можна використовувати як вихідні характерис­тики схеми з CK, якщо замінити струм колектора на струм емітера.

Вирази для статичних характеристик схеми з CK мають такий вигляд:

вихідні -

= const •

вхідна -

Is=f(U_№)

U_KF - const;

вихідна -

Ir =

= const

a) , б)

Рис. 2.16 - BAX транзистора, увімкненого за схемою з СЕ: а) вхідні; б)^:вихідні

Вихідні характеристики схеми з СЕ досить точно можна описати виразом:

' U_K

n-rv^ (2-У

1-а 1-а

(2.10) (2.11)

k>o

,

г

І -*K~

або

l' ^гк ~ 34

Де

, Гу

ПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ ТА IX СТИСЛА ХАРАКТЕРИСТИКА

Порівнюючи статичні характеристики біполярного транзистора з характеристиками гіпотетичного підсилюючого елемента (див. рис. 2.10) ми бачимо, що транзистор далеко не ідеальний елемент.

Иого вхідні характеристики не € прямими, що починаються з нуля (крім того, їх положення залежить від напруги в силовому колі транзис­тора), а є, швидше, експонентами (які з допущеннями можна вважати за прямі, зміщені відносно нуля на деяке значення напруги).

Вихідні характеристики не паралельні осі напруг (мають деякий нахил: у схеми з СЕ більший, ніж у схеми з СБ), а також реально, нерівномірно розміщуються залежно від рівномірних змін /_Аабо /_£ (на­приклад, коефіцієнт ft - величина непостійна для різних значень /_£). Більш того, вихідні характеристики схеми з СЕ починаються не від осі 1_Ю через що, при малих напругах t/^струм І_кФ рІ_к\ транзистор втрачає керованість.

Також слід зазначити, що, як і у всіх НП приладів, параметри тран­зистора (а отже, і положення його характеристик) значною мірою за­лежать від температури.

Тим не менше, ці електронні прилади якнайширше використовують­ся для реалізації конкретних підсилювачів, а їх неідеальність компен­сується до необхідних значень схемотехнічними прийомами.

При розрахунках також використовується фізична Г-подібна модель

транзистора.

На рис. 2.19 зображена така модель транзистора для схеми з СЕ. /₆ г_Б r_K(E) ^ І_к Тут прийняті наступні

o позначення:

г_Б - об'ємний опір бази транзистора;

и_г

r_E - прямий опір емітер-ного переходу;

r_K(E} - зворотний опір ко-⁴⁵ лекторного переходу; Рис. 2.19 - Г-подібна схема заміщення P - коефіцієнт передачі за

транзистора струмом.

Існує зв'язок між фізичними та А-параметрами. Так, для схеми з СЕ маємо

A,,_r=_5L_(e + lY- (2.15)

^ГК(Е)

(2.16)

(2.17)

U2iE=P. (2.18)

При розрахунках пристроїв набіполярнихтранзисторах А-парамет- ривикористовуютьсяякосновні. :