14. Биполярные транзисторы. Типы, схемы включения, режимы работы. Характеристики, параметры.

Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn(обратные) и pnp(прямые) транзисторы.

В реальных конструкциях одна из крайних областей имеет большую степень легирования и меньшую площадь, её называют эмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором, а среднюю – базой. Переход, образованный эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой – коллекторным переходом. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой (толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе).

e^-(электроны) из Э₁(эмитера) инжектируются в Б₁(базу).

,

где <1 - статический коэффициент передачи тока эмиттера;

- обратный ток коллекторного перехода.

Существует множество технологий производства транзисторов.

[1] Сплавной транзистор

[2] Эпитаксиально-планарный транзистор

[3] Скрабирование – разрезание

Типы:

Условно графически обозначается:

npn pnp

Схемы включения:

(1) схема с общей базой	(2) схема с общим эмиттером	(3) схема с общим коллектором

Независимо от схемы включения транзисторы могут работать в одном из четырёх, отличающихся полярностью напряжения на ЭБ и БК переходе:

1. Нормальный активный режим /НАР/ - Э-переход смещён в прямом направлении, К-переход смещён в обратном направлении

2. Режим насыщения – Э- и К-переходы смещены в прямом направлении

3. Режим отсечки - Э- и К-переходы смещены в обратном направлении

4. Инверсный активный режим /ИАР/ - Э-переход смещён в обратном направлении, К-переход смещён в прямом направлении.

НАР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах. Такие схемы называются ключевыми (0/1).

Режимы работы: активный, отсечки, насыщения.

В активном режиме эмиттерный переход тран­зистора типа p-n-p с общ. эмитером включается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. На рис. показано движение носителей зарядов - электронов (• ) и дырок (о ) при подклю­чении Р-N переходов к источникам питания. Объемные заряды Р-N перехода коллектор-база на рис. а обозначены

Так как концентрация дырок в эмиттере значительно боль­ше концентрации электронов в базе, включение эмиттерного Р-N перехода в прямом направлении приводит к значительной инжекции дырок I_э из эмиттера в базу. В базе этот ток разветвля­ется - основная часть идет в коллектор, создавая управляемую составляющую тока коллектра, другая - в цепь базы - управля­ющий ток базы.

Статические характеристики биполярных транзисторов -- графики выражающие функциональную связь между токами и на­пряжениями транзистора.

Входная характеристика и выходная характеристика – основные характеристики.

Входная характеристика – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении.

Выходная характеристика – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе.

Наибольшее распространение получили статические характеристики, относящиеся к "гибридной", или - системе - входные I_Б= f (U_бэ) при U_кэ = const(рис. 15), выходные I_k = f (U_кэ) при I_Б= const ( рис. 16);.

По статическим характеристикам определяют -параметры транзисторов. Параметры h_11э(входное сопротивление транзисто­ра) и h₁₂ (коэффициент обратной связи по напряжению) рассчи­тывают по входным характеристикам (рис. 15) из характеристи­ческого треугольника AA₁A₂, а h_21э (коэффициент передачи то­ка) и h_21э(входная проводимость) - по выходным характереристикам(рис.16) из характерисического треугольника ВВ₁В₂.

С помощью параметров сравнивают качество транзисторов, решают задачи, связанные с применением юс в различных схемах, рассчитывают эти схемы.

15. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером приведена на рисунке:

Х арактеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, имеет место усиление не только по напряжению, но и по току. Входными параметрами для схемы с общим эмиттером будут ток базы , и напряжение на коллекторе ,, а выходными характеристиками будут ток коллектора , и напряжение на эмиттере ,.Известна связь между током коллектора и током эмиттера в следующем виде: В схеме с общим эмиттером (в соответствии с первым законом Кирхгофа): ; , а после перегруппирования сомножителей получаем: (5.30)

Коэффициент перед сомножителем показывает, как изменяется ток коллектора при единичном изменении тока базы . Он называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Обозначим этот коэффициент значком . (5.31) Поскольку величина коэффициента передачи α близка к единице (α < 1), то из уравнения (5.31) следует, что коэффициент усиления β будет существенно больше единицы (β >> 1). При значениях коэффициента передачи α = 0,98÷0,99 коэффициент усиления будет лежать в диапазоне β = 50÷100. С учетом (5.31), а также выражение (5.30) можно переписать в виде:

,(5.32) где - тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора , а величина определяется как

Продифференцировав уравнение (5.32) по току базы , получаем . Отсюда следует, что коэффициент усиления β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора при изменении тока базы . Для характеристики величины β как функции параметров биполярного транзистора вспомним, что коэффициент передачи эмиттерного тока определяется как α = γ·µ, где

Следовательно, . Поскольку W/L << 1, а γ ≈ 1, получаем: На рисунке приведены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером с током базы, как параметром кривых. Сравнивая эти характеристики с аналогичными характеристиками для биполярного транзистора в схеме с общей базой, можно видеть, что они качественно подобны.

Проанализируем, почему малые изменения тока базы вызывают значительные изменения коллекторного тока . Значение коэффициента β, существенно большее единицы, означает, что коэффициент передачи α близок к единице. В этом случае коллекторный ток близок к эмиттерному току, а ток базы (по физической природе рекомбинационный) существенно меньше и коллекторного и эмиттерного тока. При значении коэффициента α = 0,99 из 100 дырок, инжектированных через эмиттерный переход, 99 экстрагируются через коллекторный переход, и лишь одна прорекомбинирует с электронами в базе и даст вклад в базовый ток.

Увеличение базового тока в два раза (должны прорекомбинировать две дырки) вызовет в два раза большую инжекцию через эмиттерный переход (должно инжектироваться 200 дырок) и соответственно экстракцию через коллекторный (экстрагируется 198 дырок). Таким образом, малое изменение базового тока, например, с 5 до 10 мкА, вызывает большие изменения коллекторного тока, соответственно с 500 мкА до 1000 мкА.

16.

Полевыми называют транзисторы, у которых ток обусловлен носителями заряда одного знака (электронами или дырками), а управление током осуществляют при помощи электрического поля. Их подразделяют на транзисторы с управляющим р-n переходом и с изолированным затвором. Полевой транзистор с управляемым р-n переходом с n-каналом имеет три электрода: затвор (З), сток (С), исток (И). Область соединяющая исток и сток, называют каналом. Подложка (П) соединяется с затвором. У транзисторов с р-каналом подложка и подзатворная область имеет проводимость n-типа, а на электроде затвора стрелка направлена наружу.

I

U

Передаточная х-ка.

У полевого транзистора с изолированным затвором м встроенным n-каналом существует без потенциалов на электродах.