Вопросы для самопроверки:

1. Какие выводы имеет биполярный транзистор? Как они называются?

2. Как называются p-n переходы в биполярном транзисторе?

3. Как можно представить биполярный транзистор при воздействии на него больших сигналов?

4. Как должны быть смещены p-n переходы транзистора, чтобы он работал в активной области, т.е. мог усиливать сигналы?

5. Почему базовая область транзистора должна быть тонкой?

6. Почему проводимость эмиттерной области должна быть много больше проводимости базовой области?

7. Как включить биполярный транзистор по схеме с общей базой?

8. Почему при работе в активной области ток коллектора всегда меньше тока эмиттера?

9. Какое соотношение между токами базы, эмиттера и коллектора справедливо для транзистора, работающего в активной области?

10. Дайте определение коэффициентам α и β для биполярного транзистора.

11. Выведите формулу, связывающую коэффициенты α и β.

12. Как включить биполярный транзистор по схеме с общим эмиттером?

13. Нарисуйте изображение транзисторов n-p-n и p-n-p в схемах.

14. Нарисуйте направление токов в n-p-n и p-n-p транзисторах, работающих в активной области.

15. Почему транзисторы, выполненные по структурам n-p-n и p-n-p, называются биполярными?

16. Нарисуйте внутреннюю структуру современного биполярного транзистора?

17. Как из примесного полупроводника одного типа сделать полупроводник другого типа?

18. Почему базовая область современного транзистора получается с большим сопротивлением, чем эмиттерная?

19. Какова толщина слоя базы современного транзистора?

20. Как делаются выводы транзистора?

21. Какую роль выполняет пленка SiO₂, наносимая на поверхность кристалла биполярного транзистора?

22. Почему через закрытый коллекторный переход транзистора, работающего в активной области, протекает значительный ток?

23. Можно ли из двух диодов сделать биполярный транзистор?

2.6. Характеристики и параметры биполярных транзисторов.

Основные свойства транзисторов можно определить по входным и выходным характеристикам. Эти характеристики зависят от способа включения транзистора. При включении транзистора по схеме с общей базой входными характеристиками транзистора будут зависимости тока эмиттера от приложенного к эмиттерному переходу напряжения при различных запирающих напряжениях на коллекторном переходе (рис.2.23).

С ледует заметить, что экспериментально получить характеристику I_Э=f(U_Э) чрезвычайно сложно, т.к. очень малые изменения напряжения на эмиттере приводят к очень большим изменениям тока. На практике гораздо проще снять зависимость напряжения на эмиттере от тока, задаваемого в эмиттер, а затем построить нужную нам зависимость. Для этого в цепь эмиттера, т.е. последовательно с источником напряжения и эмиттерным переходом включают резистор (рис.2.27). При этом одним и тем же вольтметром измеряют напряжение U₁ и U₂. Очевидно, что , а напряжение U₂ является напряжением на эмиттере U_Э. Изменяя Е_Э, можно получить характеристику I_Э=f(U_Э). Изменяя Е_К, можно построить семейство входных характеристик схемы с общей базой.

Рис.2.27. Схема измерения зависимости I_Э=f(U_Э) транзистора, включённого с общей базой.

На рис. 2.28 приведены входные характеристики типового кремниевого n-p-n транзистора.

Рис.2.28. Входные характеристики транзистора в схеме с общей базой.

Приведённые характеристики близки к характеристикам открытого p-n перехода, причём при возрастании запирающего напряжения на коллекторе характеристики сдвигаются влево и вверх. Это обусловлено эффектом модуляции толщины базы, т.к. при увеличении запирающего напряжения на коллекторном переходе зона p-n перехода расширяется и уменьшает толщину базы. Это приводит к увеличению коллекторного тока транзистора.

Выходными характеристиками транзистора в схеме с общей базой являются I_К=f(U_К) при разных I_Э (рис.2.29). С ростом эмиттерного тока характеристика I_К=f(U_К) смещается вверх. Небольшой наклон характеристик при больших запирающих напряжениях на коллекторном переходе обусловлен достаточно большим сопротивлением коллекторного перехода, смещённого в обратном направлении (порядка единиц – десятков МОм).

Р ис.2.29. Выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой.

П ри измерениях I_К=f(U_К) также как и при экспериментальном определении входных характеристик в цепь коллектора включают резистор (рис.2.30). При этом , а U_К=U₂. Изменяя Е_К и Е_Э можно снять семейство выходных характеристик транзистора при различных токах I_Э.

Рис.2.30. Схема измерения зависимости I_К=f(U_К) транзистора, включённого с общей базой.

Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером являются зависимости I_Б=f(U_Б), измеренные при различных напряжениях на коллекторе. Как и в схеме с общей базой, входные характеристики экспериментально определяются по схеме с дополнительно включённым в цепь базы резистором (рис.2.31). При этом , а напряжение U₂ является напряжением на базе U_Б. Изменяя Е_Б, можно получить характеристику I_Б=f(U_Б), а при различных Е_К и всё семейство входных характеристик в схеме с общим эмиттером.

Рис.2.31. Схема измерения зависимости I_Б=f(U_Б) транзистора, включённого с общим эмиттером.

С ледует отметить, что напряжение, приложенное к коллектору, действует сразу на два перехода: эмиттерный и коллекторный. Причём при увеличении коллекторного напряжения не только возрастает запирающее напряжение на коллекторе, но и несколько увеличивается напряжение на открытом эмиттерном p-n переходе. По этой причине, при увеличении напряжения на коллекторе при одинаковом задаваемом в базу токе напряжение на базе несколько увеличится. Следовательно, при увеличении U_К характеристики I_Б=f(U_Б) сдвигаются вправо, т.к. при одном и том же токе, задаваемом в базу транзистора, напряжение на базе при увеличении U_К несколько увеличится (рис.2.31).

Рис.2.32. Входные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.

Из-за того, что в схеме с общим эмиттером напряжение на коллекторе по сравнению со схемой с общей базой одновременно действует на оба перехода транзистора выходные характеристики I_К=f(U_К) при разных I_Б будут сдвинуты вправо и будут иметь больший наклон (см. рис.2.33). Измерение выходных характеристик производится также как в схеме с общей базой включением в цепь коллектора дополнительного резистора.

Рис.2.33. Выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.

Из входных и выходных характеристик транзистора можно определить его параметры. Большинство параметров транзистора определяется при малых сигналах, т.е. при таких уровнях воздействующих на транзистор напряжений и токов, при которых участки нелинейных характеристик транзистора можно считать линейным. Очевидно, что при существенно нелинейных характеристиках транзистора параметры для малого сигнала будут в значительной степени зависеть от того, какие токи текут через транзистор и какие напряжения приложены к его переходам. При этом достаточно указать эмиттерный ток и напряжение на коллекторном переходе. В справочнике параметры транзистора приводятся при так называемом номинальном режиме, который обычно определяется номинальным током эмиттера I_Э и номинальным напряжением на коллекторном переходе U_КБ. Для транзисторов средней мощности номинальному режиму обычно соответствует I_Э=1мА и U_КБ=5В. Именно при таком токе и напряжении параметры транзистора обычно близки к оптимальным.

Следует отметить, что при напряжениях на коллекторе меньше, чем на базе U_К<U_Б, коллекторный переход может открыться и транзистор перейдет в режим насыщения, когда оба перехода будут открыты. Это соответствует участкам выходных характеристик, имеющим наклон, близкий к 90⁰(см. рис.2.33). При U_Б<0,5В эмиттерный переход будет практически закрыт I_Б≈0, т.е. оба перехода будут закрыты, а транзистор будет находится в режиме отсечки. В режиме насыщения и отсечки транзистор не может усиливать сигналы, однако эти режимы транзистора используются при создании импульсных устройств.

В предыдущем разделе были введены два параметра транзистора α - коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общей базой и β – коэффициент усиления базового тока в схеме с общим эмиттером. Эти параметры являются интегральными, т.к. связывают не приращения токов I_Б, I_Э и I_К, а их полные величины. При работе транзистора в режиме малых сигналов используются дифференциальные параметры, которые в значительной степени будут зависеть от того, какой эмиттерный ток мы задаём в эмиттер и какое напряжение приложено к коллекторному переходу. Чтобы избежать этой неопределённости будем определять эти параметры таким образом:

при U_КБ=const и заданном токе I_Э (напомним, что всегда α1);

при U_КБ=const и заданном токе I_Б (напомним, что практически всегда β>>1).

Как показали расчёты и эксперименты, α и β будут зависеть от токов I_Э и I_Б и в меньшей мере от U_КБ . При номинальном режиме эти параметры близки к максимальному значению, поскольку, как при уменьшении, так и при увеличении токов эмиттера и базы α и β уменьшаются.

Кроме параметра α, при включении транзистора по схеме с общей базой транзистор можно охарактеризовать следующими параметрами:

при U_КБ=const и заданном токе I_Э,

при I_Б =const и заданном напряжении U_КБ.

Параметр r_Э называется сопротивлением эмиттерного перехода и он будет пропорционален котангенсу угла между осью абсцисс и касательной, проведённой к входной характеристике транзистора, включенного по схеме с общей базой, при заданных I_Э и U_КБ. Это сопротивление можно вычислить по простой формуле , где φ_Т – температурный потенциал. При φ_Т=25мВ, m=1,2 и I_Э=1мА получаем r_Э=30 Ом.

Параметр r_К называется сопротивлением коллекторного перехода. Он будет пропорционален котангенсу угла между осью абсцисс и касательной, поведённой к выходной характеристике транзистора, включенного по схеме с общей базой, при заданных I_Э и U_КБ. Поскольку наклон выходных характеристик транзистора в схеме с общей базой к оси абсцисс достаточно мал сопротивление r_К обычно больше, чем 1МОм и им при расчётах можно обычно пренебречь.

Кроме того, при описании транзистора ещё используют параметр r_Б – сопротивление области базы, обычно учитывающее не только омическое сопротивление слоя базы, но и небольшое влияние напряжения на коллекторе на входные характеристики транзистора. Для современных транзисторов можно считать, что r_Б лежит в пределах от 100 до 250 Ом.

В ведённые параметры позволяют в режиме малых сигналов заменить транзистор, включенный по схеме с общей базой, линейной Т-образной эквивалентной схемой (рис.2.34).

Рис.2.34. Эквивалентная схема транзистора, включённого с общей базой.

В этой схеме учтена ёмкость коллекторного перехода, которая оказывает влияние на работу транзистора в области высоких частот, шунтируя генератор тока αI_Э. Поскольку при высокой частоте сопротивление ёмкости стремится к нулю , ток генератора α(j)I_Э пойдёт не в сопротивление r_К, а в малое сопротивление ёмкости С_К. В свою очередь на высоких частотах нужно учитывать также, что параметр α зависит от частоты. Приближённо можно считать, что , где α₀ – коэффициент передачи эмиттерного тока на низких частотах, а τ_α- постоянная времени коэффициента α.

Величины С_К и τ_α в значительной степени зависит от типа используемых транзисторов. Для современных высокочастотных транзисторов С_К≈1-2 пФ, а τ_α лежит в пределах от 0,02 нс до 0,05 нс.

Малосигнальные параметры транзистора, включённого по схеме с общей базой можно использовать в эквивалентной схеме транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером. При этом сопротивление r_Э и r_Б можно использовать без изменения, а сопротивление r_К и ёмкость коллекторного перехода необходимо пересчитать, поскольку напряжение Е_К действует не только на коллекторный, но и на эмиттерный переходы. Кроме того, нужно учесть, что в схеме с общим эмиттером в коллекторной цепи действует генератор тока, учитывающий усиление базового тока. Анализ показывает, что транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, можно заменить следующей эквивалентной схемой (рис.2.35). Использованные в эквивалентной схеме параметры связаны с параметрами схемы с общей базой следующими соотношениями: , , , , .

Р ис.2.35. Эквивалентная схема транзистора, включённого с общим эмиттером

Учитывая, что для многих типов транзисторов β≈100 можно получить примерные значения r_К^*, С_К^*, τ_β.

Поскольку С_К^*>>C_К, τ_β>> τ_α частотные свойства транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером значительно хуже, чем при включении по схеме с общей базой.