Транзистор - полупроводниковый прибор, позволяющий усиливать мощность электрических сигналов.

Подразделяются на - биполярные, - полевые.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор представляет собой систему двух взаимодействующих р-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями зарядов обоих знаков – основными и неосновными.

В зависимости от чередования р- и n-областей различают транзисторы n-p-n типа и p-n-p типа.

Одна из крайних областей имеет более высокую степень легирования примесями и меньшую площадь. Её называют эмиттером Э. Другую крайнюю область называют коллектором. Среднюю область транзистора называют базой Б. Переход, образованный эмиттером и базой, называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой, – коллекторным переходом.

Эмиттер имеет самую высокую концентрацию примесей. Концентрация примесей в коллекторе на 5 ÷ 6 порядков меньше. Концентрация примесей в базе еще на 5 ÷ 6 порядков меньше. Толщина базы меньше длины свободного пробега электронов.

Включим внешние источники напряжения Uэб и Uбк так, что эмиттерный переход транзистора включится в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом произойдет инжекция электронов из эмиттера в базу. Под воздействием градиента концентрации инжектированные электроны будут двигаться по направлению к коллектору. Часть электронов рекомбинирует в базе.

Поскольку база относительно тонкая, ее толщина меньше длины свободного пробега электронов, то основная часть электронов пролетает базу и оказывается на границе перехода Б-К.

Электрическое поле перехода Б-К для электронов включено согласно и электроны втягиваются полем в структуру коллектора.

Таким образом, электроны выходят из эмиттера под действием диффузионных сил, а втягиваются в коллектор под действием сил электрического поля. В результате рассмотренного процесса нарушается равновесное состояние зарядов всех полупроводниковых структур.

Равновесное состояние зарядов должно восстановиться за счет носителей зарядов внешних источников.

Ушедшие из эмиттера электроны восполняются электронами источника Uэб, пришедшие в коллектор электроны компенсируются дырками источника Uбк,

рекомбинировавшие дырки базы – дырками источника Uбэ.

В результате во внешних цепях потекут токи Iэ, Iк, I_б.

По закону Кирхгофа I_Э = I_К + I_б. Iэ = Iк + Iб.

Работу транзистора характеризуют параметром α

- Параметр называется коэффициент передачи тока эмиттера

Кроме основных носителей в коллекторе имеются неосновные носители - дырки. Для них поле коллектора включено согласно и они начнут переходить в базу также нарушая равновесное состояние носителей коллектора и базы.

Равновесие восстанавливается приходом дырок от источника U_бк, создавая ток Iкб .

Таким образом, в коллектор втекает ток I_К и Iкб0. В базу втекает ток I_б и Iкб0

Вольт-амперные характеристики транзистора (ВАХ)

Свойства транзистора описывают с помощью характеристик. Для их получения воспользуемся моделью транзистора на постоянном токе моделью Молла-Эберса. P-n- переходы представим в виде двух диодов, подключенных к источникам напряжения.

Транзистор, имеющий входную и выходную цепи, можно рассматривать как четырехполюсник. Так как у транзистора всего три вывода, то один из выводов неизбежно должен быть общим для входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим, различают три схемы включения транзистора:

• с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ); с общим коллектором (ОК).

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.

Входные характеристики - зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении, являющимся параметром. Iэ = ƒ(Uэб, Uкб )

Напряжение Uкб является параметром

Основными статическими вольт-амперными характеристиками биполярного транзистора являются входные и выходные характеристики.

Выходные характеристики - зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе, являющимся параметром. Iк = ƒ(Uкб,Iэ) Характеристики, полученные при разных значениях параметра, образуют семейство характеристик.

Входная характеристика Iэ = ƒ(Uэб,Uкб)

Переход Э-Б включен в прямом направлении, чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.

ВАХ схемы включения общий эмиттер (ОЭ). В этом случае эмиттер является общим как для входной цепи так и для выходной.

Это означает, что ток коллектора в 100 раз больше тока базы.

Входная характеристика Iб = ƒ(Uбэ,Uкэ). Переход Б - Э включен в прямом направлении, чему соответствует пряма ветвь p-n-перехода.

Параметры транзистора

α - статический коэффициент передачи тока эмиттера, В - статический коэффициент передачи тока базы

Рк.доп – допустимая мощность рассеяния коллекторной цепи.

Эта мощность выделяется в виде тепла.

Инерционные свойства транзисторов. При быстром изменении сигнала начинают проявляться инерционные свойства транзисторов.

Причины:

• конечная и различная скорость (энергия) носителей зарядов,

• конечная толщина базы,

• процессы насыщения и рекомбинации.

Эти причины ограничивают частотные свойства транзисторов.

Подадим во входную цепь транзистора – цепь базы скачок тока Из-за указанных причин ток коллектора начнет возрастать не сразу, а с некоторой задержкой.

Нарастание тока коллектора происходит по экспоненциальному закону, который характеризуется постоянной времени τ (читается тау). Нарастание тока коллектора происходит в течение времени t_ф.

Появление затягивания фронта свидетельствует о том, что коэффициенты и В зависят от времени (частоты). Эту зависимость характеризуют постоянной времени коэффициента В

Частотные параметры транзисторов:

• граничная частота ƒ_ГР (ω_гр) – частота, на которой коэффициент В уменьшается в √ 2 раз.

• частота единичного усиления |В(jω)| = 1.

Шумы транзистора. При работе транзистора возникают шумы. Шум – хаотическое изменение тока коллектора под действием внутренних и внешних факторов. Шумы обусловлены:

• дробовый шум - дискретность носителей зарядов, тепловой шум,

• поверхностные явления у p-n-переходов, рекомбинационные шумы.

• Величину шума оценивают коэффициентом шума К_Ш. К_Ш = U_Ш/U_Ш0 или К_ш[дБ] = 10lg К_ш

• U_Ш – напряжение, которое необходимо подвести во входную цепь «нешумящего» транзистора для получения в выходной цепи напряжения, равного напряжению шумов.

• U_шо – напряжение тепловых шумов источника сигнала, подключенного ко входу транзистора.

• Шумы ограничивают минимальное значение входных сигналов.

Влияние изменения температуры на ВАХ. Токи в транзисторе сильно зависят от изменения температуры.

Ток удваивается при изменении температуры на каждые 8 -10 градусов

- Коэффициент В увеличивается при повышении температуры с темпом 3% на градус.

- На входной ВАХ ТКН = - 2 мВ/ºС

• Указанные факторы приводят к увеличению тока коллектора с повышением температуры.

Поэтому коллекторные ВАХ смещаются в область больших токов коллектора.

Если зафиксирован ток базы, то напряжение Uбэ с повышением температуры уменьшается.

Если зафиксировано напряжение Uбэ, то увеличивается ток базы с повышением температуры.

Предельные режимы работы транзистора

1. По температуре. Для Si – 100 – 120 ºC. Для приборов на основе GaAs рабочая температура может достигать 200 ºС.

2. По току Iк.доп возможен перегрев.

3. По напряжению Uкэ.доп возможен пробой.

4. По рассеиваемой мощности Р_К = I_К·U_К ≤ Р_к.доп.

5. Рабочая область.

6. Н – область насыщения.

7. О – область отсечки коллекторного тока.

8. | B(j·ω)| = 1.