Биполярные транзисторы

(первое прочтение)

Биполярные транзисторы – полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими p-n–переходами: усилительные свойства транзистора обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. P–n–переходы образуются на границах чередующихся областей полупроводника с разными типами электропроводности: p-n-p либо n-p-n.

Принцип действия биполярного транзистора заключается в том, что 2 р-п перехода расположены настолько близко друг к другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего они усиливают электрические сигналы.

Как показано на рис.1, это три области – п-, р- и п. (В принципе может быть и наоборот: р-, п-, р-; все рассуждения относительно такого транзистора будут одинаковы, различие только в полярностях напряжений, такой транзистор называется р-п-р, а мы для простоты будем рассматривать п-р-п, изображённый на рис.)

Итак, на рис. изображены три слоя: с электронной электропроводностью, причём сильной, (что обозначается плюсом) - эмиттер, дырочной - база, и снова электронной, но более слабо легированной (концентрация электронов самая малая) – коллектор. Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-п переходами, равное L_б , очень мала. Она должна быть меньше диффузионной длины электронов в базе. Это от единиц до десятка мкм. Толщина базы должна быть не более единиц мкм. Все остальные размеры маломощного транзистора не более 1 мм.

Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном, соответствующие диаграммы показаны на рис. 3.2. Приложенное к эмиттерному переходу смещение

Рис. 2. Диаграммы, поясняющие работу биполярных транзисторов: (а) смещение на переходах отсутствует; (б) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном.

уменьшает потенциальный барьер из эмиттера в базу инжектируются дырки (в pnp транзисторе) или электроны (в npn транзисторе) инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток.

Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора, таким образом инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора.

Рассмотрим более внимательно составляющие токов в биполярном транзисторе п-р-п типа. Это изображено на рис.:

I_{n др}

Верхний ток I_nдифф (большая толстая стрелка с минусом) – это ток электронов из эмиттера в коллектор. В эмиттере электронов много, поэтому этот ток большой. Когда электроны входят в базу, то дальше они движутся за счёт диффузии (электрического поля в базе нет) – слева электронов много, а справа – мало. Значит, они движутся слева направо. А в конце базы они попадают в область электрического поля коллекторного р-п перехода, которое вытягивает электроны из базы в коллектор. Так как это поле велико, концентрация электронов в базе непосредственно у коллекторного р-п перехода практически равна нулю. Поэтому градиент концентрации электронов в базе очень велик – слева их очень много, справа – почти нуль, а длина базы очень мала:

г де n₀ - концентрация электронов в базе слева (у эммитера), очень велика.

Поэтому диффузионный ток очень велик. А дрейфовый ток очень маленький. Действительно, напряжение к базе прикладывается, но сбоку, и маленькое (не больше одного вольта). А напряжённость электрического поля рассчитывается как отношение напряжения к расстоянию, на котором это напряжение прикладывается. В нашем случае расстояние – это толщина транзистора в направлении, перпендикулярном направлению диффузионного тока, и эта толщина в 10...1000 раз больше L_б. Поэтому дрейфовый ток существенно меньше диффузионного, второй маленький электронный ток I_nдр на рис., который показан тоненькой линией, сворачивающей к базовому контакту.

Второй маленький ток электронов – это те электроны, которые встретились в базе с дырками и рекомбинировали. Дырки, необходимые для этого, могут притечь только из базового контакта, так как в коллекторе и в эмиттере их нет. Этот ток вначале обозначен минусом, а далее он встречается с дырочным током, который обозначен плюсом, и выходит из базового контакта .

Третий маленький ток – это диффузионный ток дырок из базы в эмиттер. Он гораздо меньше диффузионного тока электронов (из эмиттера в базу), потому что электронов в эмиттере гораздо больше, чем дырок в базе (напомним, что эмиттер – наиболее сильно легированная область п-р-п транзистора). Это обозначено тоненьким дырочным током, который также может начаться только на базовом контакте, а заканчивается на эмиттерном контакте I_{р дифф}.

Итак, есть три маленьких тока, которые неизбежно должны проходить из базы в эмиттер: это дрейфовый ток электронов (мал по сравнению с диффузионным), ток рекомбинации (мал, потому что мала толщина базы) и дырочный ток диффузии (мал, потому что мала концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере). И есть большой диффузионный ток электронов из эмиттера в базу, который идёт к коллекторному р-п переходу, и его электрическим полем протягивается в коллектор.

Рассмотрим токи через коллекторный переход. Для n-p-n транзистора вклад в управляемый ток коллектора дают инжектированные эмиттером электроны . Дырочный ток коллектора, образуемый генерируемыми в области коллектора неосновными носителями (ток утечки) сигнала не несет.

Таким образом, ток коллектора создаётся за счёт тока эмиттера:

I_к=I_э+I_кб0;

 - коэффициент передачи тока эмиттера (h_21б в схеме с ОБ).

I_кб0 - обратный ток коллекторного перехода при отключённом эмиттере, т.е. при I_э=0.  меньше 1, т.е. ток I_к – это часть тока I_э .Величина  учитывает,

во-первых, потери в эмиттерном переходе, т.к. не весь ток эмиттера за счёт инжекции носителей в базу, часть его за счёт инжекции других носителей в эмиттер. Для этого вводят коэффициент инжекции: ;

Во-вторых, потери за счёт рекомбинации неосновных носителей на пути к коллектору:

Для этого вводят коэффициент переноса .

Чем тоньше база w, тем  1 . Таким образом, =. Для повышения 1, эмиттер легируют значительно сильнее, чем базу: область эмиттера - низкоомная, область базы - высокоомная.

Ток I_кб0,– неуправляемая часть коллекторного тока, невелик, зависит от температуры, т.к. определяется концентрацией неосновных носителей в области коллектора и базы.

Ток базы складывается из рекомбинированных в базе неосновных носителей, тока инжекции от базы к эмиттеру и тока I_кб0:

I_б=(1-)I_э- I_кб0 .

Баланс токов (закон Кирхгофа): I_э= I_к+ I_б.

Ток базы мал: I_б << I_э . Так как 1 (от 0,95 до 0,995), I_к  I_э.

Отношение коллекторного тока к базовому – это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора (в схеме с общим эмиттером):

Т ак как I _к>>I_б , эта величина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно составляет 10 – 300, в редких случаях (у очень широкополосных транзисторов) может быть меньше (порядка 2...5), или больше, 5 000...10 000 у супербетатранзисторов.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы:

 связано с I_к/I_э формулой:

И наоборот:

Итак, если к базе прикладывать маленький ток, то в эмиттере и коллекторе будут протекать токи, в и раз большие.

Но в электронике гораздо чаще используются усилители по напряжению. Как это получается?

Обычно управляют транзистором, прикладывая ток или напряжение к эмиттерному р-п переходу, смещённому в прямом направлении. При этом падение напряжения на нём не очень велико – порядка контактной разности потенциалов 0,6...0,7 В. А значит, переменная часть напряжения вообще лежит в пределах 0,1 В.

Выходной ток, которым является ток коллектора, вообще не зависит от напряжения на коллекторе, если только оно нулевое или обратное (чтобы в коллекторном р-п переходе было тянущее поле). Поэтому если подключить коллектор к источнику напряжения через сопротивление, то ток I_к, протекающий через это сопротивление и зависящий только от напряжения на входе, будет выделять напряжение на этом сопротивлении, тем большее, чем больше сопротивление.

Ясно, что максимальное выходное напряжение равно напряжению источника E_п, которое может быть 5...15 В, или даже больше. Пусть E_п=10 В, тогда

Обычно в схемах биполярные транзисторы изображаются так:

Кружок символизирует корпус транзистора. Индексом "б" обозначен контакт к базе, "к" обозначает контакт к коллекторной области, а "э" – к эмиттерной области. Направление стрелки у эмиттерного контакта определяет тип транзистора (п-р-п или р-п-р). Если стрелка наружу, то эта область в любом транзисторе n –типа, внутрь – р-типа.

2.Статические характеристики транзистора

2.1. Схема с общей базой (с об)

I_э I_к

+

U_эб I_б U_кб + p-n-p

Входные характеристики

I_э=(U_эб) при U_кб=const

Входные характеристики имеют экспоненциальный вид, так как на эмиттерный переход подано прямое напряжение. Его значение не превышает 0,3...0,5В для Ge, и 0,6...0,8В для Si.

Выходные характеристики

- это семейство кривых I_к=f (U_кб) при I_э=const.

В упрощенной формуле I_к=I_э+I_кб0, по которой I_к вообще не зависит от U_кб, нужно добавить ещё одно слагаемое, учитывающее небольшой рост тока коллектора при увеличении U_кб за счёт расширения коллекторного перехода и соответствующего сужения базы:

,

где r_к.диф - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода, или

,

где h_22б - выходная проводимость транзистора в схеме ОБ.

2.2.Схема с общим эмиттером

Источники U_кэ и U_бэ обеспечивают нормальный активный режим работы транзистора. Оба источника имеют одинаковую полярность. Напряжение |U_бэ| < |U_кэ|, чтобы коллекторный переход был смещён обратно. Из уравнения

,

подставив уравнение Кирхгофа I_э = I_к + I_б , получим:

.

Обозначим - коэффициент передачи тока базы;

; - дифференциальное сопротивление коллекторной цепи в схеме с ОЭ.

Получим

I_к=I_б +(+1)I_кб0 +U_кэ/r^*_к.диф.

Второе слагаемое (+1)I_кб0 =I_кэ0 - это “сквозной” ток коллектора в схеме с ОЭ. Он больше, чем в схеме с ОБ. Значение r^*_к.диф , напротив, в (+1) раз меньше, чем r_к.диф, т.е. влияние напряжения на коллекторе на величину тока коллектора значительно сильнее.

Значение  = 20...300 .

Входные характеристики

При U_кэ=0 область на­сыщения. Если U_кэ > U_бэ, – нормальная активная область и ток базы практически не зависит от U_кэ.

Выходные характеристики

Постоянное смещение на эмиттерном и коллекторном переходах задает некоторые значения токов и напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах: Iэ0, Uэ0, Iк0, Uк0, которые характеризуют некоторую статическую рабочую точку на входных и выходных характеристиках. Обычно для характеристики рабочей точки используют значения в тока в выходной цепи, например для схемы рис.4 это будут: Iк0, Uк0.

В усилительном каскаде для задания смещения на эмиттерный и коллекторный переходы не обязательно использовать две батареи, Для задания смещения на эмиттерный переход, как правило используется резистивный делитель, как это показано на рис.4, который иллюстрирует три возможных способа задания входного сигнала относительно выходного и соответствующие эквивалентные схемы каскадов по переменному сигналу: схема с общим для входной и выходной цепей базовым электродом - ОБ, эмиттерным электродом - ОЭ и коллекторным - ОК (при составлении эквивалентных схем по переменному току сопротивление батарей принимается равным нулю).

Рис. 4. Три схемы включения источника сигнала и нагрузки в усилительном каскаде и соответствующие схемы замещения каскадов по переменному току.

Сигнал от внешнего источника может сопровождаться изменением токов через электроды транзистора и напряжений на его электродах:

Iэ(t) = Iэ0 + ΔIэ(t), Uэ(t) = Uэ0 + ΔUэ(t);

Iб(t) = Iб0 + ΔIб(t), Uб(t) = Uб0 + ΔUб(t);

Iк(t) = Iк0 + ΔIк(t), Uк(t) = Uк0 + ΔUк(t).