Биполярные транзисторы

Принцип действия. Биполярные транзисторы делятся на две большие группы: типа n-р-n и р-п-р. Под n понимается электронная проводимость материала, под р - дырочная. Мощные биполярные транзисторы являются, как правило, типа п-р-п.

В основе работы биполярного транзистора типа n-р-n лежат три явления: инжекция электронов из эмиттера в область базы, их накопление в базовой области (по отношению к проводимости типа р электроны становятся неосновными носителями заряда) и перенос электронов под действием внешнего электрического поля из базы к коллектору (рис. 7.1,а). Здесь имеют место два ограничения, не позволяющие увеличивать мощность прибора при одновременном повышении частоты сигнала. Первое ограничение связано с предельной скоростью движения электронов в полупроводнике. Так, для кремния эта скорость, зависящая от напряженности электрического поля, не превышает см/с (рис. 7.1,б). Второе ограничение связано с предельным значением напряженности электрического поля , при превышении которого наступает электрический пробой. У кремния В/с.

Рис. 7.1. Зависимость скорости движения электронов в полупроводнике от напряженности электрического поля.

Предельная или граничная частота усиления транзистора непосредственно связана со временем переноса носителей заряда через базовую область толщиной W (рис. 7.1,а):

, (7.1)

где - время переноса носителей через базу.

Для напряженности электрического поля запишем (7.1)

, (7.2)

где - напряжение коллектор-база.

Совместно решив уравнения (7.1), (7.2) с учетом указанных значений и и приняв Е=0,6 , получим

, (7.3)

которое определяет предельные возможности биполярного транзистора. Согласно (7.3) чем выше частота, тем меньше должно быть напряжение питания, а следовательно, и мощность биполярного транзистора. Так, при напряжении питания коллектора транзистора =20 В его граничная частота усиления составит =5 ГГц.

С помощью специальной, очень сложной технологии при создании СВЧ транзисторов удалось приблизиться к теоретическому пределу, определяемому соотношением (7.3). В качестве примера укажем, что в транзисторе =400 МГц толщина базовой области W=0,7 мкм; при =1...2 ГГц W= 0,2...0,3 мкм. Помимо двух названных (предельная скорость переноса носителей заряда и допустимая напряженность электрического поля), есть еще два ограничительных фактора, не позволяющих увеличить мощность транзистора: допустимая температура р-n-перехода (у кремния не выше ) и эффект оттеснения. Сущность последнего сводится к тому, что с возрастанием плотности тока перенос носителей заряда оттесняется ко внешнему краю эмиттера. В результате значение тока определяется периметром, а не площадью эмиттера, что не позволяет увеличивать мощность с повышением частоты. Последнее ограничение удалось преодолеть путем создания так называемых многоэмиттерных структур, в которых существенно увеличен периметр эмиттера без увеличения его площади. Одна из таких структур, называемая полосковой, показана на рис. 7.2.

Рис. 7.2. Полосковая многоэмиттерная структура р-n-перехода

В этой структуре эмиттер 1 имеет гребенчатую структуру. Такую же форму имеют контактные площадки выводов базы 2. Коллектор в приборе общий. Общее число полосков-эмиттеров в приборе может достигать нескольких десятков. В качестве примера приведем параметры типичного СВЧ транзистора полоскового типа: размеры одного эмиттерного полоска 16х240 мкм; число полосков-эмиттеров 18; площадь коллектора 0,22 ; общий периметр всех эмиттеров 8 мм, площадь 0,065 . Для повышения выходной мощности СВЧ транзистора на одном кристалле располагают несколько структур, а в одном корпусе размещают несколько кристаллов. Тепло, рассеиваемое в кристалле транзистора, необходимо отвести на его корпус. При этом обеспечивается электрическая изоляция электродов относительно корпуса прибора, для чего используется бериллиевая керамика - диэлектрик с высокой теплопроводностью (такой же, как у латуни). В зависимости от схемы применения в мощных транзисторах с корпусом соединяется эмиттер или база. Внешний вид двух типов транзисторов показан на рис. 7.3. Работа транзистора описывается большим числом характеристик и параметров, которые позволяют произвести расчет режима работы прибора в каскадах различного назначения и установить правильные условия его эксплуатации. Рассмотрим наиболее важные характеристики и параметры мощных транзисторов с рассеиваемой мощностью более 3...5 Вт.

Рис. 7.3. Внешний вид двух типов транзисторов.

Cтатические характеристики биполярного транзистора. При схеме транзистора с общим эмиттером различают два вида семейств характеристик: выходные - зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер и тока базы (рис. 7.4,а) и входные - зависимости тока базы от напряжения эмиттер-база и коллектор-эмиттер (рис. 7.4,б). У кремниевых транзисторов напряжение отсечки =0,5...0,7 В.

Рис. 7.4. Статические характеристики биполярного транзистора

При изменении температуры происходит смещение характеристик. Так, входная характеристика смещается влево при повышении температуры и вправо с ее понижением. Биполярный транзистор представляет собой структуру из двух р-n-переходов (см. рис. 7.1). Сначала рассмотрим отдельно взятый р-п-переход, статическая характеристика которого описывается функцией

, (7.4)

где - обратный ток, или ток насыщения; - напряжение, приложенное к р-n-переходу; =25,6 мВ - температурный потенциал. Статическая характеристика р-n-перехода (7.4), приведенная на рис. 7.5, имеет два участка: один соответствует открытому р-n-переходу при приложении к нему прямого напряжения, другой - закрытому р-n-переходу при обратном напряжении. Обратное напряжение, превышающее по абсолютной величине напряжение , приводит к электрическому пробою р-n-перехода. В реальной модели значение тока ограничено сопротивлением активных потерь р-n-перехода. Закрытый р-n-переход характеризуется барьерной, или зарядовой, емкостью

, (7.5)

где - начальная емкость р-n-перехода; и - обратное напряжение, приложенное к р-n-переходу; - контактная разность потенциалов ( - 0,5...0,8 В - для кремния); - коэффициент перехода, зависящий от состава примесей в переходе (обычно =0,5).

Рис. 7.5. Статическая характеристика р-n-перехода

Таблица 7.2

График функции (7.5) приведен на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Зависимость зарядовой емкости от обратного напряжения.

Модель транзистора, как структура из двух р-n-переходов, может быть представлена в виде, показанном на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Модель транзистора из двух р-п-переходов.

Каждый из р-n-переходов может находиться в открытом или закрытом состоянии в зависимости от приложенного к нему напряжения - прямого или обратного. Таким образом, в зависимости от того, какое напряжение приложено к эмиттерному и коллекторному переходу - прямое или обратное, могут быть четыре состояния биполярного транзистора, показанные в табл. 7.2, и соответственно четыре области на плоскости его статических характеристик: отсечки (1), активная (2), насыщения (3), инверсная (4) (рис. 7.8).

Рис. 7.8. Четыре состояния биполярного транзистора

Область насыщения (3) характеризуется сопротивлением насыщения: . При обратном напряжении, приложенном к р-n-переходу, превышающем обратное напряжение , происходит электрический пробой, сопровождаемый резким увеличением носителей заряда - их лавинному умножению. Эта область обозначена на рис. 7.8 цифрой 5. Заход в нее недопустим, поскольку пробой р-n-перехода является необратимым явлением, приводящим к выходу прибора из строя. Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общей базой (рис. 7.9,а; ЭЦ - электрическая цепь), могут быть описаны двумя уравнениями:

; (7.6) ; (7.7)

где - заряд базы; - среднее время жизни неосновных носителей заряда в области базы (в транзисторе типа n-р-n ими являются электроны); - ток эквивалентного генератора в коллекторной цепи; - время пролета носителями заряда базовой области, определяемое согласно (7.1).

Рис. 7.9. Зарядовая модель транзистора в схеме с общей базой.

Уравнение (7.6) определяет накопление заряда в базовой области, (7.7) - их дальнейший перенос к коллектору под действием внешнего электрического поля. Для составления эквивалентной схемы транзистора рассмотрим цепь из параллельно соединенных сопротивления R и емкости С (рис. 7.10), для которой согласно правилам электротехники запишем:

; ; ; .

Из последнего выражения получим

, (7.8)

где Q - заряд, накапливаемый емкостью; =CR - постоянная времени цепи.

Сравнивая уравнения (7.6) и (7.8), устанавливаем их полное совпадение, что позволяет сделать следующий вывод: эквивалентная схема открытого р-n-перехода есть параллельная цепь из сопротивления и емкости , произведение которых и есть постоянная времени , где , называются диффузионной емкостью или сопротивлением открытого эмиттерного перехода. Сказанное позволяет от схемы рис. 7.9,а перейти к эквивалентной схеме рис. 7.9,б.

Совместно решая уравнения (7.6), (7.7), получим дифференциальное уравнение, связывающее ток на выходе транзистора (ток коллектора ) с входным током (ток эмиттера ):

, (7.9)

где - коэффициент передачи тока на низкой частоте в схеме с общей базой ( ); - граничная частота, определяемая согласно (7.1); - граничная частота в схеме с общей базой.

В операционной форме уравнение (7.9) примет вид

. (7.10)

Формальной заменой р на из формулы (7.10) получим зависимость коэффициента передачи тока в схеме с общей базой от частоты:

. (7.11)

Для модуля той же величины из (7.11) получим

. (7.12)

График функции (7.12) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте коэффициент передачи тока уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением . Коэффициент усиления по мощности в схеме с общей базой есть произведение из коэффициентов усиления по току , и по напряжению :

. (7.13)

где

Из (7.13) следует, что в схеме с общей базой коэффициент усиления сигнала по мощности . Зарядовая модель транзистора в схеме с общим эмиттером. Процессы, протекающие в теоретической модели транзистора при работе в активной области в схеме с общим эмиттером (рис. 7.12,а), могут быть описаны тремя уравнениями: (7.6), (7.7) и дополнительным - для тока базы , который является входным в данной схеме: . (7.14)

Совместное решение уравнений (7.6), (7.7) и (7.14), проведенное по той же методике, что и в предыдущем случае, приводит к эквивалентной схеме, приведенной на рис. 7.12,б. По аналогии с предыдущим случаем для коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером и для модуля данной величины получим:

; (7.15) , (7.16)

где - коэффициент усиления по току на низкой частоте в схеме с общим эмиттером; - граничная частота в схеме с общим эмиттером.

График функции (7.16) построен на рис. 7.11. Из него следует, что при частоте коэффициент передачи тока уменьшается в 1,41 раза по сравнению с его низкочастотным значением . При частоте из (7.16) получим . (7.17)

Коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером по аналогии с (7.13): . (7.18)

Из сравнения (7.13) с (7.18) следует, что коэффициент усиления по мощности в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой. Однако в области высоких частот, близких к граничной частоте как это следует из приведенных формул и графиков на рис. 7.11, они различаются мало. Граничная частота , является самым важным параметром, характеризующим частотные свойства транзистора. Значение , можно определить экспериментальным путем согласно (7.17). Для этого следует измерить модуль коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером (см. рис. 7.12,а) и умножить полученное значение на частоту, при которой проводились измерения. Максимальная частота усиления генератора, как правило, не превосходит значения ,. При , коэффициент усиления мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторов обычно находится в пределах 3...6 дБ, т.е. в 2 — 4 раза по мощности.

Рис. 7.12. Схема с общим эммитером.

Теоретическая, идеализированная модель транзистора (ТМ), показанная на рис. 7.9 и 7.12, отражает наиболее важные процессы, протекающие в его структуре. В реальной эквивалентной схеме биполярного транзистора помимо этой модели следует также учесть: индуктивности выводов электродов ( , , ); сопротивления потерь в базе ( ) и коллектора ( , ); стабилизирующие сопротивления, включаемые последовательно с эмиттерами и отображаемые в виде общего сопротивления ( ); зарядную или барьерную емкость закрытого коллекторного перехода ( , ). Такая модель транзистора при работе в активной области и схеме с общим эмиттером приведена на рис. 7.13.

Рис. 7.13. Модель транзистора для схемы с общим эмиттером

Предельно допустимые параметры транзистора. У мощного биполярного транзистора ограничены токи, напряжения на р-n-переходах и мощность рассеяния. К их числу относятся:

- импульсное (пиковое) значение коллекторного тока;

- постоянная составляющая коллекторного тока в непрерывном режиме;

- пиковые значения напряжения коллектор-эмиттер и коллектор-база (не более 45..65 В), не превышающие напряжение пробоя (см. рис. 7.8);

- пиковое значение обратного напряжения база-эмиттер (обычно не более 4...6 В), не превышающее напряжение пробоя этого p-n-перехода;

- мощность , рассеиваемая коллектором.

Остановимся подробнее на последнем параметре. Часть подводимой к транзистору мощности от источников питания и возбуждения рассеивается в нем в виде тепла. В результате температура переходов и корпуса транзистора превышает температуру окружающей среды. Мощность , рассеиваемая коллектором, и температура р-n-перехода связаны в транзисторе соотношением , (7.19)

где -температура корпуса транзистора; - тепловое сопротивление участка р-n-переход-корпус, град/Вт. При температуре корпуса (обычно -50...70 ) максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором, снижается по закону:

. (7.20)

График функции (7.20) построен на рис. 7.14.

Рис. 7.14.

При работе транзистора в составе генератора недопустимо превышение ни одного из перечисленных предельно допустимых параметров. Нарушение этого правила приводит или к резкому сокращению долговечности полупроводникового прибора, или к его внезапному отказу и выходу из строя аппаратуры в целом.