Тема 1.5 Биполярные транзисторы.

1.5.1 Назначение и устройство биполярного транзистора.

1.5.2 Принцип действия биполярного транзистора.

1.5.3 Режимы работы биполярного транзистора.

1.5.4 Схемы включения биполярных транзисторов.

1.5.5 Статические характеристики транзисторов.

1.5.6 Динамические характеристики транзисторов.

1.5.7 Усилительные свойства транзистора.

1.5.8 Система h-параметров транзистора.

1.5.9 Частотные и температурные свойства транзистора.

1.5.1 Назначение и устройство биполярного транзистора

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с тремя выводами, пригодный для усиления мощности. Биполярный транзистор содержит в себе два электронно-дырочных перехода, образованных между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от характера электропроводности внешних слоев различают транзисторы р-n-p и n-p-n типа. Разрез структуры и условное графическое обозначение биполярного транзистора p-n-p типа показано на рисунках 55а и 55б.

База

Эмиттер

Коллектор

U_КБ

U_БЭ

Эмиттерный

переход

Коллекторный

переход

а)

Б

К

Э

б)

Рис. 55

Разрез структуры и условное графическое обозначение биполярного транзистора n-p-n типа показано на рисунках 56а и 56б.

Б

К

Э

U_КБ

U_БЭ

а)

б)

. Внутренняя область разделяющая р-n переходы называется базой. Внешняя область инжектирующая (внедряющая) носители заряда в базу, называется эмиттером, а примыкающий к ней р-n переход эмиттерным. Внешняя область экстрагирующая (вытягивающая) носители заряда из базы, называется коллектором, а примыкающий к ней р-n переход коллекторным. База управляет током, протекающим через транзистор. Меняя напряжение между базой и эмиттером можно управлять плотностью тока инжекции, а следовательно и экстракции.

Транзисторы классифицируются по:

1. П рименяемому исходному материалу: германиевые, кремниевые, арсенид галлиевые.

2. По технологии изготовления: сплавные, диффузионные и эпитаксиальнопланарные.

3. По мощности: маломощные, средней мощности и мощные.

4. По частотному диапазону: низкочастотные, высокочастотные и СВЧ.

Одна из распространенных конструкций маломощных транзисторов показана на рисунке 57.

Кристалл транзистора содержащий два р-n перехода помещают в корпус с выводами (рис. 4). На рис. 57: 1 – выводы; 2 – стекло; 3 – колпачок; 4 – изоляционное покрытие; 5 – кристалл с кристаллодержателем; 6 – фланец.

Три важнейших условия работы транзистора:

1. Область базы выполняется очень тонкой.

2. Концентрация примеси в области коллектора меньше чем в области эмиттера, а ширина области коллектора больше чем эмиттера.

3. Концентрация примеси в области базы во много раз меньше чем в области эмиттера и коллектора.

1.5.2 Принцип действия биполярного транзистора

.

На рис. 58 изображена структура PNP транзистора. Между базой и эмиттером приложено прямое напряжение U_БЭ, между коллектором и базой – обратное U_БК. Под действием напряжения U_БЭ эмиттерный переход открыт и через него протекает значительный прямой ток эмиттера. Т.к. концентрация основных носителей в базе много меньше чем в эмиттере, то ток I_Э в основном создается дырками инжектированными в базу эмиттером. Небольшая часть инжектированных в базу дырок рекомбинирует со свободными электронами базы. Вместо исчезнувших при рекомбинации электронов в базу от источника U_БЭ входят все новые и новые электроны образуя небольшой ток базы I_Б. Большая часть инжектированных в базу дырок, в виду узости области базы и незначительного количества примеси в ней, достигает коллекторного перехода. Здесь они начинают испытывать ускоряющее действие поля коллекторного перехода, созданного напряжением U_БК, и вытягиваются из базы в коллектор, уменьшая сопротивление коллекторного перехода и создавая ток коллектора I_К. Т.к. процент дырок рекомбинировавших в базе с электронами невелик, то можно считать, что где коэффициент передачи тока эмиттера. Напряжение U_КБ является обратным для коллекторного перехода и может в десятки раз превышать прямое входное напряжение U_БЭ эмиттерного перехода. Входной ток транзистора I_Э и его выходной ток I_К примерно равны. Следовательно мощность в выходной коллекторной цепи U_БКI_К может быть много больше мощности во входной цепи U_БЭI_Э. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

В транзисторе NPN типа, структура которого изображена на рисунке 59 носителями зарядов будут не дырки, а свободные электроны. Следовательно в схеме на рис. 59, поменяются полярности прямого U_БЭ и обратного U_БК напряжений, а также направления токов.

1.5.3 Режимы работы биполярного транзистора.

. В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

а) Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Т.к. напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение подведенное к эмиттеру, а токи в их цепи практически равны, можно ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) окажется больше чем во входной (эмиттерной цепи) транзистора. Этим объясняются усилительные свойства транзистора.

б) Режим отсочки. К обоим переходам подведено обратное напряжение и через них проходит незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Транзистор в данном режиме заперт.

в) Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи максимален и не регулируется током входной цепи. Транзистор полностью открыт.

г) Инверсный режим. К эмиттерному переходу подведено обратное напряжение, к коллекторному – прямое. Эмиттер и коллектор меняются местами. Режим не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

1.5.4 Схемы включения биполярных транзисторов

В зависимости от того какой из электродов будет общим для входной и выходной цепи, различают три возможные схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ); общим эмиттером (ОЭ); общим коллектором (ОК). Схема включения транзистора с общей базой показана на рисунке 60

Рис. 60

В схеме с ОБ во входную эмиттерную цепь последовательно с источником питания Е₁ включен источник входного сигнала, вырабатывающий переменное напряжение U_ВХ. Входным током в данной схеме будет ток эмиттера I_ВХ=I_Э, выходным – ток коллектора I_ВЫХ=I_К. Если под действием U_ВХ ток эмиттера возрастет на величину , то возрастут и остальные токи транзистора . Независимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом прямой передачи тока, который есть отношение выходного тока к вызвавшему его приращение входному току при постоянном напряжении в выходной цепи. Для схемы с ОБ таким коэффициентом служит коэффициент передачи тока эмиттера при Е₂=const. Поскольку в цепи коллектора кроме тока обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает собственно обратный ток коллекторного перехода I_КБО, то полный ток коллектора . В нормальных условиях I_КБО – незначителен и можно считать . Но с возрастанием температуры I_КБО увеличивается и определяет температурную стабильность схемы с общей базой.

Т.к. ток эмиттера – наибольший из всех токов транзистора, то схема с ОБ имеет малое входное сопротивление, фактически равное сопротивлению r_Э эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении .

б) Схема включения транзистора с общим эмиттером показана на рисунке 61

Рис 61

В схеме с ОЭ общим электродом для входной и выходной цепи является эмиттер. Входным током является малый по величине ток базы. Выходным током в этой схеме, как и в схеме с ОБ, является ток коллектора. Следовательно коэффициент прямой передачи тока для схемы с ОЭ (1). Найдем соотношение между и , воспользовавшись равенством . Подставив его вместо в выражение (1) получим ; учтя что получаем . Если то . Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ значительно больше чем в схеме с ОБ, что следует из очевидного неравенства .

Полный ток коллектора в схеме с ОЭ равен где начальный коллекторный ток. Это ток проходящий через транзистор при оборванной цепи базы. При значениях ток I_КЭО в десятки раз больше теплового тока I_КБО, следовательно выходной ток в схеме с общим эмиттером сильнее зависит от температуры, чем в схеме с БО.

в) Схема включения транзистора с общим коллектором показана на рисунке 62.

Рис 62

В схеме с общим коллектором входной сигнал подается на участок база-коллектор. Входным током является ток базы, а выходным – ток эмиттера. Коэффициент прямой передачи тока для этой схемы . Схема с ОК практически не позволяет получить усиление по напряжению, но обладает усилением по мощности.

1.5.5 Статические характеристики биполярных транзисторов.

Графические зависимости между токами и напряжениями на входе и выходе транзистора, называются статическими характеристиками транзистора. Наиболее распространены входные и выходные статические характеристики для двух схем включения с ОБ и ОЭ. На рис.63 изображены входные статические характеристики для схемы с ОБ: при U_КБ=const

.

Рис. 63

Они аналогичны прямой ветви ВАХ р-n перехода. Электрическое поле, создаваемое напряжением U_КБ почти полностью сосредоточено в коллекторном переходе и незначительно влияет на прохождение носителей зарядов через эмиттерный переход. Поэтому при входные характеристики практически сливаются. На рис. 64 выходные характеристики транзистора для схемы с ОБ: при I_Э=const.

Рис. 64

При обратном напряжении на коллекторе, ток через коллекторный переход создается лишь за счет диффузии носителей зарядов, проникающих из эмиттера через базу в коллектор, и слабо зависит от напряжения U_КБ приложенного к коллекторному переходу. Поэтому выходные характеристики практически параллельны оси абсцисс. При I_Э=0 через коллекторный переход протекает обратный ток коллекторного перехода. При смене полярности напряжения U_КБ, коллекторный переход начинает работать в прямом направлении. Ток через него резко возрастает и идет в направлении обратном нормальному рабочему току. Поэтому рабочий ток I_К резко уменьшается и достигает нуля при значениях U_КБ порядка десятых долей вольта.

На рис. 65 приведены входные (рис.65а), выходные (рис. 65б) статические характеристики транзистора с общим змиттером, а также схема определения полярности напряжения на коллекторном переходе.

Рис. 65

Входные характеристики для схемы с ОЭ: при U_КЭ=const. С увеличением обратного напряжения U_КЭ на коллекторном переходе, уменьшается вероятность рекомбинации носителей заряда в базе, т.к. все они быстро втягиваются в коллектор. Поэтому с увеличением U_КЭ, ток I_Б уменьшается. На рис. 65б статические выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ: при I_Б=const.

Из рис. 65в видно, что к коллекторному переходу приложено напряжение

U_КЭ-U_БЭ, т.к. эти напряжения между точками коллектор-база включены встречно. При коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении. Поэтому крутизна выходных характеристик на участке от U_КЭ=0 до велика. На участке крутизна характеристик уменьшается, они идут почти параллельно оси абсцисс. Положение каждой из выходных характеристик, главным образом зависит от величины тока базы.

1.5.6 Динамические характеристики биполярных транзисторов.Режим работы транзистора с нагрузкой в выходной цепи и источником усиливаемого сигнала во входной цепи, называется динамическим. В нем токи и напряжения на электродах не остаются постоянными, а непрерывно меняются. В схеме включения транзистора с ОЭ (рис. 65) напряжение источника питания Е_К распределяется между участком К-Э (выходом схемы) и нагрузочным резистором R_Н так, что

U_КЭ=E_К-I_НR_Н (1) уравнение динамического режима для входной цепи

Рис. 65

Изменение U_ВХ вызывает изменения токов I_Э; I_Б; I_К, что приводит к изменению напряжения на R_Н, а следовательно и изменению U_КЭ. Характеристики транзистора в динамическом режиме определяются не только свойствами транзистора, но и свойствами элементов схемы. Различают выходные и входные динамические характеристики . На выходных статических характеристиках (рис. 66), проведена динамическая характеристика (нагрузочная прямая) АВ, соответствующая сопротивлению нагрузки R_Н.

Рис. 66

Ее положение определяется напряжением Е_К и сопротивлением R_Н. При I_К=0 (транзистор закрыт) ток в резисторе R_Н и падение напряжения на нем равны 0, следовательно напряжение Е_К оказывается полностью приложенным к участку К-Э (точка В). при полностью открытом транзисторе ток I_К ограничивается только величиной R_Н и равен .

Промежуточные положения точек на линии нагрузки характеризуют возможные напряжения и токи в цепях транзистора при подаче сигнала с учетом сопротивления нагрузки. Любому току базы соответствует вполне определенные значения тока коллектора и U_КЭ. Если в отсутствие входного сигнала был установлен ток базы I_БЗ, то рабочая точка Р на нагрузочной прямой укажет соответствующие этому току значения I_КР и U_КЭР.

Входная динамическая характеристика (показана на рисунке 67) представляет собой зависимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме.

Рис. 67

Для ее построения надо для каждого напряжения на коллекторе (для которого имеется статическая входная характеристика), определить по выходной динамической характеристике соответствующий ток базы. Затем на входных статических характеристиках отмечают точки соответствующие найденным значениям токов базы и соединяют их плавной кривой линией, получая входную динамическую характеристику (рис. 67).

1.5.7 Усилительные свойства транзистора.

Н а рис. 68 а-в три простейшие усилительные схемы при включении транзистора с ОБ, ОЭ и ОК.

a)

б)

в)

Рис. 68

Основными показателями транзисторного усилительного каскада при любой схеме включения транзистора являются:

а) коэффициент усиления по току

б) коэффициент усиления по напряжению

в) коэффициент усиления по мощности

г) входное сопротивление . Для изображенных на рис. 68(а-в) трех схем включения транзистора основные показатели определяются следующими вполне очевидными формулами:

; ;

; ;

; ;

Из приведенных выражений видно, что коэффициенты усиления по I; U; P существенно зависят как от схемы включения транзистора, так и от величины соответствующего входного сопротивления. При определении входных сопротивлений транзистора исходят из того, что эмиттерный и коллекторный переходы, как и тонкий слой базы, обладают некоторыми определенными сопротивлениями, равными соответственно r_Э, r_К, r_Б. У современных транзисторов в активном режиме работы величина r_Э составляет обычно десятки Ом, r_Б – сотни Ом, а r_К – сотни тысяч Ом.

Для схемы включения транзистора с ОБ . Поскольку величины r_Э и r_Б незначительны, то R_вхБ будет лежать в пределах от единиц до десятков Ом.

Для схемы включения транзистора с ОЭ и его величина с учетом значений , r_Э и r_Б составляет сотни Ом. Очевидно, что .

Для схемы включения транзистора с ОК . Если учесть, что , и , то R_вых будет определяться сопротивлением нагрузки R_Н и обычно составляет десятки кОм. На основании сравнения схем включения транзисторов можно составить сравнительную таблицу 1.

Тип схемы	Усиление			Входное сопротивление Ом
	КI	KU	KP
ОБ	1	до 1000	до 1000	Единицы-десятки
ОЭ	10-100	100	до 10000	Сотни
ОК	10-100	1	до 100	Десятки тысяч

из которой видно, что схема с ОЭ обеспечивает усиление как по току, так и по напряжению при достаточно большом входном сопротивлении, поэтому она получила наибольшее распространение.

1.5.8 Система h – параметров транзистора

Часть электрической цепи, имеющая две пары зажимов, одна из которых является входной, а другая выходной, называется четырехполюсником. Такое представление применяется когда необходимо исследовать изменение режима одной ветви сложной электрической цепи при изменении электрических характеристик в другой ветви.

Внутренне содержание и схемы четырехполюсников могут быть разнообразны. Задача состоит в том, чтобы написать общие выражения, пригодные для любого четырехполюсника.

Свойства транзисторов оценивают по их параметрам, при определении которых транзистор рассматривают как усиливающее мощность устройство на входе которого действуют напряжение U₁ и ток I₁, а на выходе - напряжение U₂ и ток I₂. Такую модель называют активным четырехполюсником.

В активном четырехполюснике зависимости между переменными составляющими напряжений и токов в цепях выражают тремя системами параметров z; y; h, среди которых наиболее распространена система h-параметров. В системе h-параметров за независимые переменные приняты ток I₁ и напряжение U₂. Тогда для U₁ и I₂ получаются зависимости: и (1). На рисунке 69 показаны схемы где биполярный транзистор изображен как активный четырехполюсник.

Зависимости (1) для сигналов малых амплитуд позволяют записать связь между напряжениями и токами на входе и выходе следующими выражениями

Для определения h-параметров создают режим холостого хода на входе ( ) и режим короткого замыкания на выходе ( ) по переменной составляющей. Условия и означают, что при определении соответствующего h-параметра ток I₁ и напряжение U₂ неизменны, т.е. I₁=const и U₂=const.

h₁₁ – это входное сопротивление транзистора измеренное при короткозамкнутом выходе по переменному напряжению (рис. 69а)

.

h₁₂ – это коэффициент показывающий какая часть напряжения с выхода транзистора поступает на его вход, т.е. характеризующий глубину обратной связи. Он определяется при разомкнутой входной цепи, т.е. при (рис.69б)

.

h₂₁ – это коэффициент усиления по току, представляющий собой отношение выходного тока к входному. Определяется при коротком замыкании на выходе (рис. 69в)

.

h₂₂ – это входная проводимость транзистора. Она определяется как отношение выходного тока к выходному напряжению при разомкнутых входных зажимах по переменному току (рис 69г)

.

h параметры находят наибольшее распространение при расчете транзисторных низкочастотных схем. Для каждой схемы включения транзистора h параметры помечаются соответствующим индексом Б; Э; К.

h параметры можно определить как экспериментально, так и графическим путем по статическим характеристикам транзистора.

На рис. 70 а,б показан порядок расчета h параметров для схемы транзистора с ОЭ.

Параметры h_22Э и h_21Э определяют по выходным характеристикам в заданной точке Р (рис. 70а). Для этого при неизменном токе базы задают приращение напряжения , находят соответствующее ему приращение тока коллектора и определяют при I_Б=const.

a)

б)

Рис. 70

Параметры h_21Э находят путем задавания приращения тока базы при постоянном напряжении U_КЭ=const. При этом определяют приращение тока (между характеристиками для токов базы и ) и рассчитывают при .

Параметры h₁₁ и h₁₂ определяют по входным характеристикам. ( рис. 70б)

Для нахождения h₁₁ в рабочей точке Р (рис. 70б) задают приращение тока (симметрично в обе стороны от точки Р на кривой с отметкой ). Находят получающееся при этом приращение напряжения и вычисляют входное сопротивление транзистора при .

Для нахождения h_12Э при постоянном токе базы , соответствующем точке Р, задают приращение напряжения . Определяют получающееся при этом приращение напряжения и находят коэффициент обратной связи по напряжению:

при I_Б=const.

1.5.9 Частотные и температурные свойства транзистора.

Диапазон рабочих температур транзисторов, определяется свойствами р-n переходов и лежит в тех же пределах, что и у полупроводниковых диодов. Особенно существенно на работу транзистора с увеличением температуры влияет ток I_КБО. Его приближенное значение при нагреве определяется из равенства . Для практических расчетов принимают увеличение тока I_КБО примерно вдвое с повышением температуры на каждые 10⁰. Увеличение тока I_КБО влечет за собой нестабильность работы транзистора, поскольку ток I_КБО в значительной степени влияет на токи I_Э и I_К, а следовательно и на усилительные свойства транзистора. Для увеличения предельных рабочих температур полупроводниковых приборов, применяют ряд новых полупроводниковых материалов, в частности карбид кремния. Приборы, изготовленные на карбиде кремния, могут нормально работать до температур 500…600⁰.

На частотные свойства транзисторов влияют емкости р-n переходов. Особенно сильное влияние оказывает емкость коллекторного перехода С_К, поскольку на высоких частотах емкостное сопротивление значительно меньше сопротивления r_K и коллекторный переход теряет свои основные свойства. Второй причиной ухудшения работы транзистора на высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Это обусловлено инерционностью процесса прохождения носителей заряда через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания зарядов в базе. Данные причины приводят к увеличению переменного тока базы и, как следствие, к снижению коэффициента усиления по току.

С увеличением частоты усиливаемого сигнала коэффициент уменьшается значительно сильнее, чем . Коэффициент снижается лишь вследствие влияния емкости С_К, а н величину влияет еще и сдвиг фаз между I_К и I_Э. Следовательно схема с ОБ имеет лучшие частотные свойства, чем схема с ОЭ. Для определения коэффициентов усиления по току на частоте f могут быть использованы формулы: , где и - коэффициенты усиления по току при частоте f=0.

- предельные частоты транзистора в схемах с ОБ и ОЭ.

10. Эксплуатационные параметры транзистора.

Транзистор характеризуется рядом эксплуатационных параметров, предельные значения которых указывают на возможности практического применения того или иного транзистора. К их числу относятся:

Р_К.max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором. Это мощность развиваемая коллекторным током и бесполезно расходуемая на нагревание транзистора. При недостаточном теплоотводе разогрев коллекторного перехода может привести к выходу транзистора со строя.

I_К.max – максимально допустимый ток коллектора. Ограничивается максимально допустимой мощностью, рассеиваемой коллектором. Превышение предельного значения I_К.max приводит к тепловому пробою коллекторного перехода и выходу транзистора из строя.

I_{КЭ max} или I_{КБ max} – максимально допустимое напряжение между коллектором и общим электродом транзистора. Это напряжение определяется величиной пробивного напряжения перехода и зависит от мощности, тока коллектора и температуры окружающей среды.

При выборе транзистора, эти вышеперечисленные расчетные величины сравниваются с допустимыми значениями, указанными в паспортных данных для каждого типа транзистора: .

Из соображений надежности работы схемы не рекомендуется использовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70% их наибольших допустимых значений.

- предельная частота усиления по току. Частота, при которой коэффициент усиления по току или уменьшается до 0,7 (в раз) своего значения на низких частотах.

Помимо вышеперечисленных наиболее важных эксплуатационных параметров транзисторов, в паспортных (справочных) данных на транзисторы указывается и ряд других параметров:

• максимально допустимый ток базы

• обратный ток эмиттера

• максимально допустимый импульсный ток коллектора

• напряжения насыщения коллектор-эмиттер

• емкость коллекторного перехода

• один или несколько h параметров

• максимальная температура работы транзистора.