2.3. Биполярные транзисторы

Название транзисторпроисходит от английскогоTransfer Resistor– преобразующий сопротивление, абиполярный означает тот факт, что в процессе создания тока учавствуют носители зарядов двух типов – электроны и дырки.

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами, обладающий усилительными свойствами.

Существует две полупроводниковые структуры биполярных транзисторов: p-n-pи

n-p-nтипа (рис. 2.4.а и б соответственно). Биполярный транзистор имеет три чередующиеся полупроводниковые области различной проводимости -эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К).Переход между эмиттером и базой (П₁) называется эмиттерным, переход между базой и коллектором (П₂) - коллекторным. База транзисторавыполняется тонкой, меньше диффузионной длины росителей заряда (несколько микрометров), то есть меньше, где D – коэффициент диффузии носителей заряда, τ – время жизни неравновесных носителей заряда.

Диффузионная длина L – это расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда вследствие их рекомбинации уменьшается в е раз( 2,7 раза). Для электронов и дырок диффузионная длина и время жизни величины разные.

В транзисторе степень легирования полупроводниковых областей разная: эмиттерная и коллекторная области – сильно легированы, база - слабо легирована, то есть обеднена основными носителями заряда (НЗ).

2.3.1. Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основных способа включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ) (рис. 2.5). При любом способе включения в цепь входного электрода включается источник входного сигнала, а в цепь выходного – нагрузка. Набольшее применение находит схема с ОЭ, т.к. она обладает наибольшим коэффициентом усиления по току. Рассмотрим её работу на примере p-n-p-транзистора. На рис. 2.6 в областях Э и К показаны только основные НЗ - дырки, в области Б – основные НЗ и не- основные НЗ. Источник Е₂смещает эмиттерный переход в прямом направлении; источник Е₁– смещает коллекторный переход в обратном направлении. За счет источника Е₂через прямосмещенный эмиттерный переход начинается инжекция основных НЗ (дырок) из Э в Б транзистора, где они становятся неосновными НЗ.

Это дырочная составляющая эмиттерного тока. Электроны из Б инжектируются в Э, образуя электронную составляющую тока эмиттера. Но, поскольку база обеднена основными НЗ, то электронная составляющая тока эмиттера будет очень незначительной. Можно считать, что ток эмиттера полностью состоит из дырочной составляющей.

Большая часть дырок, инжектированных в Б, диффундирует к коллекторному переходу, захватывается полем этого перехода и перебрасывается из Б в К, создавая в коллекторной цепи ток, пропорциональный току эмиттера:

I_к^'=I_э,

где -коэффициент передачи тока эмиттера. Обычноблизок к 1 (> 0,99).

Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток I_к0(за счет собственных неосновных НЗ - дырок в базе). То есть, полный ток коллектора

I_к= I_к^'+ I_к0=I_э+ I_к0.

Небольшая часть дырок , попадая в область Б, рекомбинирует с основными НЗ базы - электронами, образуя ток базы I_б, величина которого небольшая - несколько % тока эмиттера.

Ток базы состоит из суммы очень небольшой электронной составляющей тока эмиттера и тока за счет рекомбинации некоторой части дырок с электронами в базе транзистора за вычетом обратного тока коллектора, то есть

I_б= I_эn+ I_э.рек- I _к0.

Таким образом, в транзисторе существуют три тока, причем всегдаток эмиттера равен сумме двух токов - тока коллектора и базы:

I_э= I_б+ I_к.

Так как I_кI_э, тото естьили I_к (1 -) =I_б, откуда

.

Величина  = называется коэффициентом передачи тока базы:

Iк = I_б.

Поскольку коэффициент близок к 1, коэффициентможет достигать.

При включении с общей базойток коллектора,

где =– интегральный коэффициент передачи тока эмиттера,- обратный ток коллекторного перехода.

Схема с ОК обладает коэффициентом усиления по напряжению К _U≤ 1 и большим входным и малым выходным сопротивлениями. Её часто называют эмиттерным повторителем и используют для согласования высокоомных и низкоомных цепей.

2.3.2. Статические характеристики транзисторов

Для каждой схемы включения транзисторов существует четыре семейства статических характеристик:

- входные I_ВХ =f(U_ВХ) приU_ВЫХ=const;

- выходные I_ВЫХ =f(U_ВЫХ) приI_ВХ=const;

- передачи по току I_ВЫХ =f(I_ВХ) приU_ВЫХ=const;

- характеристики обратной связи по напряжению U_ВХ=f(U_ВЫХ) приI_ВХ =const;

Для схемы включения ОЭ общий вид входных и выходных характеристик приведен на рис. 2.7.

2.3.3. Динамический режим работы транзистора

Д

инамический режим – это режим, при котором в коллекторную цепь транзистора включен резистор (рис. 2.8).

Для транзистора, с включенным в коллекторную цепь сопротивлением нагрузки R_К, справедливо соотношение:

, (2.1)

где - напряжение источника коллекторного питания. Таким образом, напряжение на выходе транзистораявляется функцией тока коллектора. Приведенному выше уравнению в системе координат выходных характеристик соответствует прямая линия, называемая нагрузочной прямой на постоянном токе (рис. 2.7 прямаяMN). Её можно построить по двум точкам, если в уравнении (2.1) последовательно положить

= 0 и = 0 и найти точкиMиN.Смысл нагрузочной прямой заключается в следующем. Каждому значению коллекторного тока соответствует конкретное значениеи конкретное падение напряжения на нагрузке. Точка на нагрузочной прямой, соответствующая данному коллекторному току, называется рабочей точкой (точка Р на рис. 2.7). При линейном усилении (усилении без искажения формы сигнала), рабочая точка под действием управляющего базового сигнала будет перемещаться по нагрузочной прямой в пределах зоны статических характеристик, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения.

2.3.4. Параметры транзистора как четырехполюсника

Транзистор является нелинейным элементом, так как его характеристики определяются нелинейными зависимостями между токами и напряжениями. Однако, если входной сигнал по амплитуде будет меньше по сравнению с постоянным напряжением, соответствующим точке покоя, то в некоторой рабочей области участки статических ВАХ можно считать линейными. В этом режиме (режим малого сигнала) приращения между токами и напряжениями так же можно считать линейными, а транзистор представлять в виде четырехполюсника (рис. 2.9)

Связь между входными (U₁,I₁) и выходными (U₂,I2₂) переменными четырехполюсника наиболее просто можно описать системой уравнений, в которой две величины являются независимыми, а две другие – зависимыми. Для транзистора практично принять независимыми входной токI₁и выходное напряжениеU₂. Тогда зависимые величины можно выразить через независимые:

U₁=f₁(I₁,U₂);I₂=f₂(I₁,U₂). (2.2)

Если при малых изменениях независимых величин приращения зависимых величин разложить в ряд Тейлора и пренебречь членами второго и высших порядков, то (2.2) можно представить в виде:

∆U₁ = ∆I₁ + ∆U₂

∆I₂ = ∆I₁ + ∆U₂ (2.3).

Заменив приращения значениями токов и напряжений и введя для частных производных обозначение через параметр h_ij , (2.3) можно преобразовать к форме:

U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U_{2 ;} I₂ = h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂ (2.4)

где - постоянные коэффициенты, которые принято называть-параметрами. Эти коэффициенты имеют определенный физический смысл:

• h₁₁= приU₂ =const- входное сопротивление в режиме малого сигнала при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

• h₁₂= приI₁ =const- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе четырехполюсника;

• h₂₁= приU₂ =const- коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

• h₂₂= приI₁ =const- выходная проводимость в режиме малого сигнала при холостом ходе на входе четырехполюсника .

Эти параметры могут быть записаны для любой схемы включения биполярного транзистора. Для схемы ОЭ при замене дифференциала на приращения - параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора:

h₁₁=∆U_бэ / ∆I _бприU _кэ =const; h₁₂=∆U _бэ /∆U_кэприI _б =const;

h₂₁=∆I _к / ∆I _бприU _кэ =const; h₁₂=∆I _к /∆U_кэприI _б =const.

Используя - параметры в схемах замещения биполярного транзистора, можно достаточно просто проводить аналитический расчет схем на основе известных уравнений для линейных цепей.

Рис.2.10. Схема замещения БТ системой h-параметров