лекции / shemotech / 3. Биполярные транзисторы

3. Биполярные транзисторы

3.1. Общие сведения. Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. В работе биполярных транзисторов используются носители обеих полярностей (дырки и электроны), что и отражено в их названии.

Рис. 3.1. Схематическое и условное графические изображения биполярных транзисторов n-p-n-типа (а) и p-n-p-типа (б)

По порядку чередования p-n переходов транзисторы бывают: n-p-n и p-n-p типов (рис.3.1).

Область транзистора, расположенная между p-n переходами, называют базой. Одна из примыкающих к базе областей должна наиболее эффективно осуществлять инжекцию носителей в базу, а другая - экстрагировать носители из базы.

Область транзистора, из которой происходит инжекция носителей в базу, называют эмиттером, а переход эмиттерным.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию носителей из базы, называют коллектором, а переход коллекторным.

По применяемому материалу транзисторы классифицируются на германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые.

По технологии изготовления транзисторы бывают: сплавные, диффузионные, эпитаксиальные, планарные. Толщина базы делается значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней. При равномерном распределении примеси в базе внутреннее электрическое поле в ней отсутствует, и неосновные носители движутся вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми. При неравномерном распределении примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле, и неосновные носители движутся в ней в результате дрейфа и диффузии. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

Кроме того, концентрация атомов примесей в эмиттере и коллекторе (низкоомные области) значительно больше, чем в базе (высокоомная область).

Площадь коллекторного перехода больше эмиттерного, что способствует увеличению коэффициента переноса носителей из эмиттера в коллектор.

По мощности, рассеиваемой коллекторным переходом, транзисторы бывают:

малой мощности (Р < 0,3 Вт);

средней мощности (0,3 Вт < Р < 1,5 Вт);

большой мощности (Р > 1,5 Вт).

По частотному диапазону транзисторы делятся на:

низкочастотные (f_пр < 3 МГц);

среднечастотные (3 МГц < f_пр < 30 МГц); высокочастотные (30 МГц < f_пр < 300 МГц); сверхвысокочастотные (f_пр > 300 МГц).

Обозначение биполярных транзисторов состоит из шести или семи элементов.

Первый элемент — буква или цифра, указывающая исходный материал: Г(1) — германий, К(2) — кремний, А(3) — арсенид галлия.

Второй элемент — буква, указывающая на тип транзистора: Т — биполярный, П — полевой.

Третий элемент — цифра, указывающая на частотные и мощностные свойства прибора (табл.3.1).

Таблица 3.1 Классификация транзисторов по мощности и частоте

Частота	Мощность
	малая	средняя	болшая
Низкая	1	4	7
Средняя	2	5	8
Высокая	3	6	9

Четвертый, пятый (шестой) элементы — цифры, указывающие порядковый номер разработки.

Шестой (седьмой) элемент — буква, указывающая на разновидность транзистора из данной группы. Примеры обозначения транзисторов: КТ315А; КТ806Б; ГТ108А; КТ3126.

3.2. Схемы включения и режимы работы биполярного транзистора. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения. Потенциал общего электрода принимается за нулевой (земля). Отсчет напряжений на остальных электродах производится относительно точки нулевого потенциала. На рис. 3.2, а показана схема включения транзистора с общей базой (ОБ), на рис. 3.2, б — схема с общим эмиттером (ОЭ), на рис. 3.2, в — схема с общим коллектором (ОК).

Рис. 3.2. Схемы включения биполярных транзисторов: с общей базой (а); с общим эмиттером (б); с общим коллектором

В зависимости от полярности внешних напряжений, подаваемых на электроды транзистора, различают следующие режимы его работы.

Активный режим — эмиттерный переход смещен в прямом направлении (открыт), а коллекторный — в обратном направлении (закрыт).

можно построить, используя семейство выходных характеристик.

Характеристики обратной связи. Семейство статических характеристик обратной связи транзистора, характеризующее зависимость U_эб=f(U_кб), при I_э=const, представлено на рис.3.8.

Характеристика обратной связи имеет отрицательный наклон, что связано с уменьшением ширины базы и тока рекомбинации, а также с ростом градиента концентрации носителей тока эмиттера при увеличении абсолютного значения напряжения U_кб. Так как

Рис. 3.8. Семейство статических характеристика снимается при постоянном токе

характеристик обратной связи в эмиттера, то необходимо уменьшать инжекцию

схеме с ОБ носителей из эмиттера в базу посредством

снижения U_эб. Характеристики обратной связи можно построить, используя семейство входных характеристик.

Статические характеристики транзистора в схеме с ОЭ. На рис.3.9 представлена схема включения транзистора в схеме с ОЭ. Семейство входных характеристик U_бэ=f(I_б), при U_кэ=const представлено на рис.3. 10.

Рис. 3.9. Включение транзистора Рис. 3.10. Семейство статических входных

в схеме с общим эмиттером характеристик в схеме с ОЭ

При отсутствии внешнего напряжения U_кэ=0 входная характеристика представляет собой вольтамперную характеристику двух параллельно включенных p-n переходов. Это соответствует режиму насыщения транзистора.

При увеличении напряжения U_кэ коллекторный переход включается в обратном направлении и транзистор переходит в активный режим работы. Увеличение U_бэ приводит к росту рекомбинации носителей в базе, и при некотором напряжении U_бэ ток базы становится равным нулю (I_б=0), а характеристика смещается в сторону оси напряжений.

Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером представлены на рис.3.11 и выражают зависимость I_к=f(U_кэ) при I_б=const. В схемах с ОЭ и ОК управляющим является входной ток — ток базы I_б.

При токе базы, равном нулю, в коллекторной цепи протекает обратный ток, величина которого равна I_кэо, и выходная характеристика представляет собой характеристику обратно-смещенного перехода. Транзистор работает в режиме отсечки в области, расположенной ниже данной характеристики.

При наличии входного тока базы и небольшого напряжения |U_кэ|<|U_бэ| коллекторный переход открыт и транзистор работает в режиме насыщения, ток коллектора резко возрастает, что соответствует крутому восходящему участку выходных характеристик.

Если |U_кэ|>|U_бэ|, транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. Рост коллекторного тока замедляется, характеристика идет более полого. Небольшой рост I_к на пологом участке обусловлен:

1) уменьшением ширины и тока базы I_б (уменьшается рекомбинация носителей в базе) при увеличении U_кэ. Для поддержания постоянного

Рис. 3.11. Семейство значения тока базы необходимо увеличивать U_бэ,

статических выходных что приводит к росту токов эмиттера и коллектора;

характеристик в схеме с ОЭ 2) увеличением напряжения на коллекторном

переходе, что приводит к росту ударной ионизации в нем и возрастанию тока коллектора. При больших значениях U_кэ возможен электрический пробой p-n перехода.

Характеристики прямой передачи представлены на рис.3.12, выражают зависимость I_к=f(I_б) при U_кб=const.

Отклонение их от прямой линии определяется нелинейностью изменения коэффициента передачи тока базы h_21б от режима работы транзистора. При напряжении на коллекторе, отличном от нуля, характеристики прямой передачи сдвинуты по оси ординат на величину I_кэо.

Эти характеристики можно построить из семейства выходных характеристик.

Рис. 3.12. Семейство статических Рис. 3.13. Семейство статических

характеристик прямой передачи с ОЭ характеристик обратной связи в схеме с ОЭ

Характеристики обратной связи представлены на рис.3.13 и выражают зависимость U_эб=f(U_кэ), при I_б=const.

При небольших напряжениях U_кэ характеристики имеют восходящий участок, соответствующий режиму насыщения транзистора. Пологий участок характеристик обратной связи соответствует активному режиму работы транзистора. Эти характеристики получаются простым графическим перестроением семейства входных характеристик.

3.4. Основные параметры биполярных транзисторов. Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

по току ; (3.1)

по напряжению ; (3.2)

по мощности ; (3.3)

а также:

входное сопротивление

выходное сопротивление

Чтобы определить входные и выходные токи и напряжения при различных схемах включения транзистора, изобразим рисунок 3.14.

Используя приведенные выше выражения и схемы, изображенные на рисунке 3.14, получаем формулы для расчета параметров транзисторов при различных схемах включения.

Рис. 3.14. Схема включения транзистора с ОБ (а), ОЭ (б), с ОК (в)

В схеме с ОБ.

; (3.4)

где α≈1, т.е. схема с ОБ не усиливает ток.

(3.5)

где - сопротивление открытого эмиттерного перехода, составляющее, как уже отмечалось, десятки Ом;

(3.6)

(3.7)

где >>1, так как >>.

, (3.8)

Из полученных выражений видно, что схема с ОБ характеризуется малым входом сопротивлением, отсутствием усиления по току, большим усилением по напряжению и мощности.

В схеме с ОЭ.

(3.9)

где β≈100, т.е. схема с ОЭ значительно увеличивает ток.

(3.10)

(3.11)

(3.12)

т. к. >>, схема дает значительное увеличение напряжения.

(3.13)

Таким образом, схема с ОЭ имеет большее, чем схема с ОБ, входное сопротивление, и усиливает сигнал по току, напряжению и мощности.

В схеме с ОК.

(3.14)

т.е. схема с ОК имеет

(3.15)

(3.16)

т.е.

Таким образом, схема с ОК (схема эмиттерного повторителя) имеет значительно большее значение входного сопротивления, чем любая другая схема включения транзистора, и усиливает сигнал по току и мощности. Большое значение входного сопротивления схемы с ОК предопределяет широкое применение на практике эмиттерного повторителя в качестве согласующего устройства.

Полученные значения параметров транзистора для различных схем его включения представлены в табл. 3.2. Анализ данных свидетельствует об универсальности схемы с ОЭ (см. рис. 3.14 б), обеспечивающей усиление транзистора как по току, так и по напряжению. Этим объясняется широкое применение указанной схемы включения транзистора в нелинейных цепях. Высокие значения β обуславливают также усилительное свойство транзистора по току, заключающееся в возможности малыми входными токами (током I_б) управлять существенно большими токами (током I_к≈βI_б) в выходной (нагрузочной) цепи.

Таблица 3.2 Параметры транзистора для различных схем его включения

Вид схемы	Токи		Напряжения		Основные параметры			Примечание
С общей базой
С общим эмиттером
С общим коллектором

Перечисленные параметры определяются с помощью статических характеристик, которые содержатся в справочной литературе.

Статические характеристики используются для расчета нелинейных цепей, содержащих транзистор.

3.5. Эквивалентные схемы БТ. Эквивалентные схемы применяются для анализа цепей, содержащих транзисторы.

Эквивалентная схема биполярного транзистора на постоянном токе, являющаяся нелинейной физической моделью биполярного транзистора, называется моделью Эберса-Молла (рис. 3.15). Представленная модель характеризует только активную область транзистора, не учитывая его пассивную (паразитную) область. Данная модель хорошо отражает обратимость транзистора - принципиальную равноправность обоих его переходов. Эта равноправность особенно ярко проявляется в режиме двойной инжекции, когда на обоих переходах действуют прямые напряжения.

Рис. 3.15. Эквивалентная схема транзистора модели Эберса-Молла

Физическая модель биполярного транзистора Эберса-Молла обычно применяется для работы транзистора при больших изменениях напряжения и тока.

Параметры эквивалентной схемы могут быть определены либо расчетным, либо экспериментальным путем. Однако расчет не всегда обеспечивает требуемую точность из-за трудности учета контролируемых и неконтролируемых явлений в транзисторе. Поэтому очень часто транзистор представляют четырехполюсником, заменив физические эквивалентные схемы более удобными на практике эквивалентными схемами в h- и y-параметрах.

Эквивалентная схема транзистора в h-параметрах (рис. 3.16 а) отражает зависимость выходного тока I₂ и выходного напряжения U₁ от его входного тока I₁ и выходного напряжения U₂ транзистора.

Рис. 3.16. Эквивалентные схемы транзистора в h-параметрах (а) и y-параметрах (б)

Эта зависимость определяется системой уравнений:

(3.17)

где и - изменение входного и выходного напряжений соответственно; и - изменения соответствующих токов.

Коэффициенты уравнений (3.17) определяют экспериментально с помощью опытов короткого замыкания на выходе и обратного холостого хода на входе транзистора.

Для схемы, изображенной на рис. 3.16 а, можно определить, что

(3.18)

Полученные h-параметры имеют следующий физический смысл: h₁₁ и h₂₁ — входное сопротивление и коэффициент передачи тока эмиттера при коротком замыкании на выходе транзистора; h₁₂ и h₂₂ – величины, обратные коэффициенту усиления по напряжению (коэффициент обратной связи по напряжению) и выходному сопротивлению (выходная проводимость) при обратном холостом ходе на входе транзистора. На практике h-параметры применяют, как правило, для анализа низкочастотных схем.

Эквивалентная схема транзистора в y-параметрах используется для анализа высокочастотных схем. В этом случае независимыми переменными являются напряжения ΔU₁ и ΔU₂, а зависимыми токами - токи ΔI₁ и ΔI₂. Тогда систему уравнений, характеризующих работу транзистора как четырехполюсника, можно представить в общем виде:

(3.19)

Коэффициенты системы уравнений (3.19) для схемы, изображенной на рис. 3.16 б, определяются при прямом и обратном коротком замыкании четырехполюсника.

(3.20)

Физический смысл коэффициентов (3,20): y₁₁ – величина, обратная входному сопротивлению, т.е. входная проводимость при коротком замыкании; y₁₂ - проводимость обратной передачи, т.е. величина, характеризующая воздействие выходного напряжения на входной ток при обратном коротком замыкании; у₂₁ - проводимость прямой передачи, т.е. величина, характеризующая влияние входного напряжения на выходной ток при коротком замыкании; y₂₂ - величина, обратная выходному сопротивлению, т.е. выходная проводимость при обратном коротком замыкании.

3.6. Частотные свойства транзисторов. Важным параметром транзистора в активном режиме является время пролета неосновных носителей через область базы, которое в основном определяет частотные свойства транзистора. Последние сильно проявляются при работе транзистора в усилительных устройствах. С ростом частоты входного сигнала усилительные свойства транзистора ухудшаются: падают коэффициенты усиления по напряжению, мощности, появляется фазовый сдвиг между выходным и входным токами.

На инерционные свойства транзистора сильное влияние оказывают:

-время пролета неосновных носителей в области базы от эмиттерного к коллекторному переходу;