кой развязкой входной (управляющей) и выходной (нагрузочной) цепей. Однако в принципе возможности оптрона гораздо больше: он может служить основой целого ряда электронных устройств, характерных использованием электрических и оптических связей.

1.4. Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы — это активные полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами и тремя электродами (внешними выводами). Главное отличие этой группы транзисторов в том, что для обеспечения их нормальной работы необходимо использовать носители зарядов двух типов — электроны и дырки.

В биполярном транзисторе используются два встречно включенных p-n перехода, которые образуются на границе слоев, составляющих транзистор. В зависимости от типа электропроводности слоев биполярные транзисторы имеют n-p-n или p-n-p-тип структуры. В дальнейшем основное внимание будем уделять наиболее распространенному n-p-n-типу структуры (рис. 1.12).

Наиболее сильно легированный крайний слой транзистора (n+-типа) называют эмиттером; другой крайний слой (n-типа) — коллектором, а средний слой (p-типа)— базой. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, а p-n переход между коллектором и базой — коллекторным переходом.

Эмиттерный переход обычно смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (нормальное или прямое включение транзистора). Если эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом, такое включение биполярного транзистора называется инверсным, или обратным.

23

Непременное условие нормальной работы биполярного транзистора — достаточно малая ширина базы W; необходимо, чтобы выполнялось условие W n L (L — диффузионная длина неосновных носителей в базе). Основные параметры биполярного транзистора определяются процессами в базе. Отме-

тим, что в реальных транзисторах площадь эмиттера всегда меньше площади коллектора.

Существуют несколько способов включения биполярного транзистора. На рис. 1.12 транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ). Действительно, электрод базы — общий для входной и выходной цепей (на эмиттер и коллектор напряжение задается относительно базы).

При прямом смещении эмиттерного перехода снижается его потенциальный барьер и происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. За счет инжекции электронов в базу, а также инжекции дырок из базы в эмиттер формируется ток эмиттера Iэ . Инжектированные электроны проходят базу и, дойдя до коллекторного перехода, экстрагируются (втягиваются электрическим полем) в коллектор. Значит, в выходной (коллекторной) цепи будет протекать ток коллектора Iк . За время прохождения базы часть электронов рекомбинирует. В результате образуется ток базы Iб . В соответствии с первым законом Кирхгофа можно записать:

В большинстве практических случаев стремятся уменьшить ток базы, что достигается снижением рекомбинационных процессов в базе. При этом улучшаются усилительные способности транзистора.

Основной параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по току. Для схемы ОБ коэффициент усиления (передачи) по току обозначается буквой α и определяется для нормально включенного транзистора как α = Iк / Iэ . Поскольку Iк < Iэ , то α < 1. Для

24

современных биполярных транзисторов α = 0,98...0,999. Таким образом, схема ОБ не обеспечивает усиление тока.

Если для транзистора, включенного по схеме рис. 1.12, упразднить прямое смещение эмиттерного перехода (оборвать цепь эмиттера), в цепи коллектора будет протекать лишь небольшой обратный ток коллекторного перехода Iкбо (обратный ток протекает по цепи «коллектор-база»).

Кратко остановимся на схеме ОБ, где биполярный транзистор включен инверсно (рис. 1.13). Здесь использовано условное обозначение n-p-n-транзистора, принятое при изображении принципиальных электрических схем. Буквами Э, Б, К обозначены выводы от эмиттера, базы и коллектора соответственно. Условное обозначение p-n-p-транзистора отличается от обозначения n-p-n- транзистора только направлением стрелки на эмиттере.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора, включенногопосхемерис. 1.13, обозначимкакα1; егоназываютинверсным коэффициентомусиления. Вреальныхтранзисторахвсегдаα1 < α .

Основная схема включения биполярного транзистора — схема с общим эмиттером (ОЭ). На рис. 1.14 приведена схема ОЭ для нормального включения n-p-n-транзистора. Напряжение Uбэ смещает эмиттерный переход в прямом направлении. Поскольку напряжение Uбэ значительно меньше, чем напряжение Uкэ (Uбэ ≤ 0,7 В, а Uкэ обычно составляет единицы или десятки вольт), то коллекторный переход оказывается смещенным в обратном направлении, т. е. имеется нормальное включение транзистора.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ определяется как B = Iк / Iб . Для схемы ОЭ ток базы — входной ток, а ток коллектора — выходной. Используя соотношения (1.7), нетрудно получить связь между В и α в следующем виде:

25

Учитывая реальные значения α, из (1.8) находим, что величина В составляет десятки-сотни. Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОЭ, — хороший усилитель тока.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, управляемый входным током (током эмиттера или током базы). Это обусловлено малым входным сопротивлением транзистора, при котором трудно задать фиксированное входное напряжение. Так, для схемы ОБ входное сопротивление — это сопротивление p-n перехода при прямом смещении.

На рис. 1.15 приведены выходные (а) и входные (б) ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Из рис. 1.15, а видно, что выходные ВАХ располагаются в двух квадрантах: ВАХ в первом квадранте соответствует активному режиму работы; во втором — режиму насыщения. Основной режим работы биполярного транзистора в усилительных устройствах — активный.

В отличие от идеализированных выходных ВАХ, реальные характеристики транзистора всегда имеют некоторый наклон: ток коллектора возрастает (хотя и слабо) при увеличении выходного напряжения Uкб . Это определяется эффектом Эрли: при увеличении обратного напряжения на коллекторном p-n переходе он расширяется, и расширение происходит в сторону базы, как в более высокоомный слой, при этом ширина базы уменьшается. Уменьшение ширины базы приводит к тому, что большее количество неосновных носителей проходит базу, не рекомбинируя в ней, следовательно, больше носителей заряда попадает в коллектор, вызывая рост тока коллектора.

При Uкб = 0 входная характеристика (рис. 1.15, б) представляется обычной диодной экспонентой. Реальная входная ВАХ при увеличении рабочего напряжения Uкб смещается влево вверх из-за влияния эффекта Эрли.

Рис. 1.15. Вольт-амперные характеристики транзистора с общей базой

26

Рассмотрим ВАХ биполярного транзистора для основной схемы включения — схемы ОЭ. Входной ток в схеме ОЭ — ток базы. На рис. 1.16, а приведены входные ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ. Внешне эти характеристики похожи на входные ВАХ схемыОБ. Однако входные ВАХ схемыОЭсмещаются вправо вниз при увеличении выходного напряжения Uкэ . Для большинства практических случаев влияние Uкэ на входные ВАХ прекращается уже при напряжениях, составляющих десятые доли вольт.

Нарис. 1.16, б приведены выходные ВАХ биполярного транзистора, включенногопосхемеОЭ. Посравнениюсвыходнымихарактеристикамитранзистора, включенногопосхемеОБ, ониимеютбольшийнаклон, т.е. наихвидбольшоевлияниеоказываетэффектЭрли. ГлавнаяособенностьвыходныхВАХсхемыОЭвтом, чтоониполностьюрасположены впервомквадранте. ТокIкэо , протекающийвцепи«коллектор-эмиттер» транзистора при оборванном входном (базовом) электроде (Iб = 0), намногобольшеобратноготокаколлекторногоперехода:

Из (1.9) следует: неуправляемый ток в цепи коллектора в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. За счет этого выходные ВАХ схемы ОЭ более чувствительны к изменениям температуры. При повышении температуры выходные характеристики смещаются в сторону бо′льших токов, а их наклон увеличивается.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме ОБ α — интегральный (статический) параметр, поскольку представляет собой отношение постоянных токов. Существует и дифференциальный коэффициент усиления, представляющий со-

Рис. 1.16. Вольт-амперные характеристики транзистора с общим эмиттером

27

бой отношение приращений тока в коллекторе и эмиттере. Хотя статический и дифференциальный коэффициенты усиления несколько отличаются, для схемы ОБ их принято обозначать одинаково — α. В дальнейшем будем различать статический и дифференциальный коэффициенты лишь тогда, когда это принципиально необходимо.

Коэффициент усиления В — статический параметр. Помимо него, широко используется и дифференциальный коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β = dIк / dIб . Для определения β тоже можно воспользоваться формулой (1.8), но при этом в нее следует подставить уже дифференциальные коэффициенты α.

В полупроводниковой электронике находят применение так называемые супербета биполярные транзисторы. Такие транзисторы имеюточеньтонкуюбазу, аβвнихдостигаетзначенийвнесколькотысяч.

Зависимость коэффициента усиления по току от напряжения на коллекторе обусловлена эффектом Эрли ипредпробойными явлениями при коллекторном переходе. Обе эти причины приводят к росту В при повышении Uкэ . По техническим условиям работа на биполярных транзисторах в режиме лавинного пробоя запрещена. Этот режим может быть использован только в лавинных транзисторах.

Зависимость В от температуры обусловлена, главным образом, температурной зависимостью времени жизни неосновных носителей в области базы. Поскольку с повышением температуры замедляются процессы рекомбинации, обычно наблюдается рост коэффициента усиления транзистора по току.

Кратко остановимся на других параметрах биполярного транзистора — сопротивлениях его переходов. Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора представляются своими дифференциальными сопротивлениями. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление rэ можно выразить по аналогии с (1.6):

Из (1.10) следует: сопротивление rэ мало и обратно пропорционально току эмиттера.

Поскольку коллекторный переход в транзисторе смещен в обратном направлении, ток Iк слабо зависит от напряжения Uкб . Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

28

rк = dUкб / dIк ≈ 1МОм. Сопротивление rк восновномобусловленовлияниемэффектаЭрли. Онообычноуменьшаетсясростомрабочихтоков.

Приработесмалымиприращениямитоковинапряженийбиполярный транзистор можно представить в виде эквивалентной схемы (малосигнальной модели), состоящей из линейных элементов. Наибольшеераспространение получили Т-образныеэквивалентные схемы.

На рис. 1.17 приведена Т-образная малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ. Здесь входным электродом транзистора является база. Поскольку схема малосигнальная, то в генераторе тока используется дифференциальный коэффициентβ. Длярассматриваемойэквивалентной схемысопротивление rк* и емкость Cк* можно определить по следующим формулам:

rк* = rк(1−α) ; Cк* = Cк /1 − α ,

где Cк — барьерная емкость коллекторного перехода.

Параметры Т-образной эквивалентной схемы называются внутренними (физическими) параметрами, так как они отражают физические процессы в транзисторе. Однако эти параметры не всегда удобны для прямого измерения и расчета электронных устройств.

Для переменных сигналов малой амплитуды, приводящих к незначительному изменению электрического режима в линейной части ВАХ, биполярный транзистор можно представить эквивалентным линейным четырехполюсником. Параметры последнего принято называть h-параметрами. К ним относятся:

h11 — входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;

h12 — коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе;

h21 — коэффициент усиления (передачи) по току при коротком замыкании на выходе;

h22 — выходнаяпроводимость прихолостомходенавходе.

Основное преимущество h-па- раметров заключается в легкости их непосредственного измерения.

29

Существуют специальные таблицы формул, связывающих h-пара- метры различных схем включения транзистора между собой, а также с физическими параметрами и другими системами параметров.

Частотные свойства биполярного транзистора определяются временем пролета неосновных носителей заряда через базу и временем перезаряда барьерных емкостей переходов. Относительная роль этих факторов зависит от конструкции и режима работы транзистора, а также от сопротивлений во внешних цепях. Для биполярных транзисторов, предназначенных для работы в области низких и средних частот, основное влияние на частотные свойства оказывает время пролета носителей через базу τα .

Для схемы ОБ частотные свойства транзистора обычно представляются граничной частотой усиления fα . На рис. 1.18 приведена частотная характеристика коэффициента усиления α . Из рис. 1.18 видно, что граничной частотой fα является частота сигнала, при которой дифференциальный коэффициент α уменьшается в 2 раз (падает на 3 дБ) по сравнению с его значением на низкой частоте α0 . Для fα можно записать:

Из (1.11) следует: для получения высоких граничных частот нужно изготавливать транзисторы с тонкой базой из полупроводников с большой подвижностью носителей заряда.

Для схемы ОЭ частотные свойства биполярного транзистора иногда представляют граничной частотой усиления fβ , которую можно определить с помощью формулы:

30