А.С. Низов, А.Н. Штин, К.Г. Шумаков - Электроника Курс лекций

3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ. РАБОТА, СХЕМЫ, ПАРАМЕТРЫ

3.1 Общие сведения о транзисторах

Транзисторами (transfer – передача, resist – сопротивление) называются полупроводниковые приборы, позволяющие в электрических схемах незначительными изменениями входного сигнала управлять большими величинами тока в выходной цепи. Служат для усиления мощности электрических колебаний, а также для переключения, преобразования и генерирования электрических сигналов.

Основное применение в технических устройствах нашли три вида транзисторов: биполярные, полевые и IGBT.

Биполярные транзисторы имеют два p–n перехода и состоят из трех чередующихся p–n–p или n–p–n областей. Их работа основана на движении носителей обеих полярностей (электронов и дырок), поэтому они называются биполярными («би» – два). В таких транзисторах выходной ток управляется входным током. Биполярные транзисторы являются наиболее распространенным видом транзисторов, особенно в аналоговой технике (усилители звуковых частот, радио, аналоговое ТВ). Описанию их работы посвящен данный раздел.

Вполевых транзисторах управление выходным током происходит при помощи электрического поля, и ток проводится зарядами одного знака (дырками или электронами). Поэтому их иногда называют униполярными («уни» – один). Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим p–n переходом (с каналом n-типа и с каналом р-типа) и с изолированным затвором (МОП–транзисторы и МДП– транзисторы). Этот вид транзисторов занимает доминирующее положение в цифровой технике (процессоры, носители информации, цифровая связь).

ВIGBT-транзисторах (Insulated Gate Bipolar Transistor – биполярный транзистор с изолированным затвором) совмещены оба способа управления – электрическим полем и током. Поэтому они обладают достоинствами как полевых, так и биполярных транзисторов. IGBT-транзисторы используются как мощные электронные ключи

41

в импульсных источниках питания, инверторах, системах управления электрическими приводами.

Полевые и IGBT-транзисторы будут рассмотрены в следующих разделах.

Кроме этого, в некоторых технических устройствах нашли применение следующие виды транзисторов: однопереходные, криогенные, многоэмиттерные, баллистические, транзисторы Дарлингтона и многие другие.

3.2 Структура и токи биполярных транзисторов (БТ)

Несмотря на то что работа БТ основана на движении носителей обеих полярностей, роль электронов и дырок в разных типах транзисторов неодинакова. В зависимости от того, какие носители заряда в БТ играют главную роль, их различают на прямые (тип p–n–p), где главными являются дырки, и обратные (тип n–p–n), где главными являются электроны. Структурные схемы этих транзисторов приведены на рисунке 3.1, а и в.

Рисунок 3.1– Структурные схемы (а, в) и условные обозначения (б, г) транзисторов p–n–p (а, б) и n–p–n (в, г)

Выводы или электроды БТ называются эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К). Они служат для подключения транзистора во внешнюю цепь. Области, к которым подключены эти электроды, также носят эти названия. Область эмиттера (emitter – излучатель, испускатель, вбрасыватель) служит для испускания основных носителей заряда. Область базы (base – основа, основание) – для регулирования потока основных носителей. Область коллектора (collector – собиратель) – для приема основных носителей.

Исходя из вышесказанного, по первому закону Кирхгофа для токов БТ можно записать следующее выражение

42

На рисунке 3.1, б и г приведены условные графические и буквенные обозначения БТ. Стрелка в обозначении БТ показывает эмиттер, а ее направление – в какую сторону течет ток эмиттера. Зная это и пользуясь (3.1), можно легко определить направления токов в электродах транзистора, которые также показаны на рисунках 3.1, б и г.

Переходы jЭ и jК называются, соответственно, эмиттерным и коллекторным переходами.

Для работы БТ между его электродами включаются источники напряжения, полярность которых такова, что на переход jЭ подается напряжение в прямом направлении («+» на p-область, «–» на n-область), а на переход jК – в обратном («–» на p-область, «+» на n-область).

Так как p–n переход в прямом направлении имеет низкое сопротивление, то к переходу jЭ достаточно приложить небольшое напряжение (доли и единицы вольт). В обратном направлении сопротивление p–n перехода достаточно велико. Поэтому на переход jК можно подавать достаточно большое напряжение (десятки и сотни вольт). Как мы увидим в дальнейшем, чем больше разница между напряжениями, приложенными к переходам jЭ и jК, тем больше коэффициент усиления транзистора по напряжению.

3.3 Принцип работы биполярных транзисторов

Для более полного понимания принципа работы БТ отметим следующие особенности его конструкции:

1)ширина базы в БТ (bВ на рисунке 3.2, а) выполняется в сотни раз меньше ширины эмиттера и составляет единицы микрон, а размеры коллектора несколько больше, чем эмиттера;

2)концентрация атомов примеси в базе (электронов в p–n–p или дырок в n–p–n) и концентрация атомов примеси в коллекторе (дырок в p–n–p или электронов в n–p–n) по сравнению с концентрацией атомов примеси в эмиттере (дырок в p–n–p или электронов в n- p–n) в несколько раз ниже.

Рассмотрим принцип работы и физические процессы, происходящие в БТ типа p–n–p, схема включения которого приведена на рисунке 3.2.

43

Переход jЭ смещен в прямом направлении источником напряжения ЕЭБ, а переход jК – в обратном источником ЕК. Причем ЕК >> ЕЭБ.

Рассмотрим случай, когда выключатель SA отключен (рисунок 3.2, а). По переходу jЭ ток не потечет, так как цепь эмиттер–база разомкнута. К переходу jК приложено обратное напряжение, и ток по цепи база–коллектор будет очень мал, так как он обусловлен неосновными носителями зарядов (дырками в базе и электронами в коллекторе). Этот ток называется обратным током коллектора IК0. По самому БТ в направлении эмиттер–база–коллектор ток не потечет, а сопротивление его будет близко к бесконечности. В этом случае говорят, что «транзистор закрыт».

Теперь рассмотрим случай, когда выключатель SA включен (рисунок 3.2, б). В этом случае к переходу jЭ прикладывается прямое напряжение, и ток через него будет обеспечиваться основными носителями: дырки будут поступать из эмиттера в базу, а электроны, которых значительно меньше, – из базы в эмиттер.

Рисунок 3.2 – Принцип работы транзистора p–n–p

Каждая дырка, попав в базу, может двигаться по двум направлениям. Первое – под действием напряжения ЕЭБ составить ток базы IБ, рекомбинировав с электроном (нижняя дырка на рисунке 3.2, б). Второе – под действием напряжения ЕК перейти в коллектор и составить ток коллектора IК (две верхние дырки на рисунке 3.2, б).

Второе направление для дырок наиболее вероятно по следующим причинам:

44

1)положительно заряженная частица дырка (например, та, которая показана на рисунке 3.2, б пунктиром), из эмиттера (р-полупроводник, дырка в нем основной носитель) перейдя в базу (n-полупроводник), будет являться неосновным носителем, и поэто-

му для нее переход jК, к которому приложено обратное напряжение,

открыт;

2)ширина базы в сотни раз меньше ширины эмиттера, что снижает вероятность рекомбинации ее с электроном;

3)концентрация атомов примеси в базе значительно ниже концентрации атомов примеси в эмиттере, что также снижает вероятность встречи на пути движения дырки свободного электрона;

4)ЕК >> ЕЭБ, поэтому притяжение положительно заряженной частицы дырки к «–» коллекторного источника ЕК будет в 10 … 100 раз больше, чем к «–» эмиттерного ЕЭБ; эта причина является определяющей в выборе дыркой направления движения.

Поэтому значительно большая часть дырок (90 … 99 %) перейдет

вколлектор и составит токи IК, а остальные (1 … 10 %) – ток IБ. Поэтому, в соответствии с (3.1), можно записать

Большие размеры коллектора и низкая концентрация в нем основных носителей (в данном случае дырок) также будут способствовать свободному проходу дырок эмиттера сквозь эту область.

Таким образом, по БТ (рисунок 3.2, б) в направлении эмиттер– база–коллектор потечет ток, который будут составлять дырки, испускаемые эмиттером, проходящие через базу и поступающие в коллектор. В этом случае говорят, что «транзистор открывается», так как сопротивление его существенно снижается.

Если увеличивать или уменьшать напряжение между эмиттером и базой, то увеличится или уменьшится число дырок, поступающих в базу и далее в коллектор. Сопротивление БТ при этом соответственно увеличивается или уменьшается.

Таким образом, изменяя в небольших пределах напряжение, подаваемое на переход jЭ , можно в большом диапазоне менять ток коллектора IК . И если включить в цепь коллектора сопротивление нагрузки, то на нем можно получить значительные колебания напряжения.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что в открытом БТ типа p–n–p протекают следующие токи: ток коллектора IК, который обусловлен дырками, вылетевшими из эмиттера, и ток базы IБ, который определяется дырками эмиттера и электронами базы. Так как IК >> IБ, главными носителями в транзисторах типа p–n–p являются дырки.

45

Работа БТ типа n–p–n аналогична работе транзистора типа p–n–p. Для изучения принципа его работы необходимо на рисунке 3.2 изменить структуру транзистора на противоположную и поменять полярность источников. В БТ типа n–p–n главными носителями являются испускаемые эмиттером электроны.

Как было показано в подразделе 1.2, движение дырок есть эстафетное (скачками) движение электронов. Поэтому свободные электроны движутся быстрее дырок, и, следовательно, БТ типа n–p–n являются более высокочастотными, чем транзисторы типа p–n–p.

3.4 Схемы включения транзисторов

Различают три схемы включения БТ, в которых усилительные свойства транзисторов проявляются по разному:

1)с общей базой (ОБ) – рисунок 3.3, а;

2)с общим эмиттером (ОЭ) – рисунок 3.3, б;

3)с общим коллектором (ОК) – рисунок 3.3, в.

На этих схемах обозначено: ui – напряжение входного источника, которое необходимо усилить; ZН – полное сопротивление нагрузки.

Термин «общий» означает, что данный электрод принадлежит как входной, так и выходной цепи. Например, для схемы с ОБ входной цепью является: ui , эмиттер VT, база VT, «–» ЕЭБ, «+» ЕЭБ, а выходной –: «+» ЕК , база VT, коллектор VT, ZН , «–» ЕК.

Рисунок 3.3 – Схемы включения транзисторов с ОБ (а), с ОЭ (б) и ОК (в)

46

Входным током IВХ называется ток, протекающий по источнику входного сигнала ui.

Выходным током IВЫХ называется ток, протекающий по нагруз-

ке ZН .

Входным напряжением UВХ называется напряжение, которое прикладывается между входным и общим электродами.

Выходным напряжением UВЫХ называется напряжение, которое возникает между выходным и общим электродами.

Например, для схемы с ОК: IВХ= IБ, IВЫХ= IЭ, UВХ= UБК, UВЫХ = UЭК. Некоторые сравнительные данные схем включения БТ между со-

бой приведены в таблице 3.1. Наибольшее применение в технических устройствах получила схема с ОЭ.

Таблица 3.1 – Некоторые параметры схем включения транзисторов

3.5 Статические входные и выходные характеристики (СХ)

При определении параметров БТ, а также для расчета схем усилителей применяют статические характеристики, которые устанавливают функциональную связь между постоянными напряжениями

итоками, замеренными, соответственно, между электродами

ив электродах транзистора. Они показывают параметры самого транзистора, а не какой-либо схемы, в которую он включен.

Входной СХ называется зависимость входного тока в функции от входного напряжения при постоянном выходном напряжении (рисунок 3.4)

IВХ= f(UВХ) при UВЫХ= const.

47

Поэтому при одном и том же напряжении входа UВХ 0 (рисунок 3.4) больший входной ток IВХ1 (для схемы с ОЭ это IБ) должен соответствовать входной СХ, снятой при UВЫХ = 0. Следовательно, для схемы с ОЭ на рисунке 3.4 справедливы следующие соотношения:

UВЫХ3 > UВЫХ2 > UВЫХ1 = 0.

Для иллюстрации сказанного приведем входные СХ транзистора КТ603А, снятые в схемах с ОБ и ОЭ.

49

Характеристика, снятая при IВХ = 0, называется основной выходной СХ. Она повторяет ВАХ обычного диода в непроводящем направлении до наступления пробоя.

В схемах с ОБ и ОЭ, чем больше входной ток, тем больше выходной. Поэтому для них на рисунке 3.6 справедливы следующие соотношения

IВХ4 > IВХ3 > IВХ2 > IВХ1 > IВХ0 = 0.

Выходные СХ состоят из трех участков. На первом (участок ОА на рисунке 3.6), пока выходное напряжение мало (UВЫХ < UВХ), переход jК открыт. Поэтому незначительное увеличение UВЫХ приводит к существенному увеличению IВЫХ, как это происходит в диодах в проводящем направлении. При UВЫХ ≈ UВХ (участок АВ на рисунке 3.6) переход jК закрывается. Когда UВЫХ > UВХ (участок ВС на рисунке 3.6), переход jК закрыт, а выходные СХ аналогичны обратной ветви ВАХ диода в непроводящем направлении. В схеме с ОБ участок ВС более горизонтален, чем в схеме с ОЭ. Это указывает на большее выходное сопротивление транзистора при работе его в схеме с ОБ.

3.6 Схема замещения транзистора активным четырехполюсником. h-параметры и их определение

Из электротехники известно, что любой участок электрической цепи, имеющий один вход и один выход, а также содержащий источники напряжения, можно заменить активным четырехполюсником – своеобразным «черным ящиком» с внешними выводами, описываемым набором характеристик, связывающих между собой напряжения и токи на зажимах четырехполюсника.

Покажем на рисунке 3.7, как могут быть заменены четырехполюсником две наиболее распространенные схемы включения транзистора.

В таких четырехполюсниках входные и выходные величины связаны между собой при помощи специальных коэффициентов, которые носят название h-параметров. Эти коэффициенты для каждого типа БТ приводятся в справочной литературе.

Запишем известные уравнения, которые устанавливают связь между приращениями напряжений и токов в активном четырехполюснике:

50