Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой р-n-перехода. Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной – сплавление, диффузия, эпитаксия, - что в значительной мере определяет характеристики прибора.

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n-транзисторы и p-n-p-транзисторы. Упрощенное устройство плоскостного n-p-n-транзистора приведено приведено на рис. 1.10а, его условное обозначение – на рис. 1.10 б, а схема замещения – на рис. 1.10 в. Аналогичные представления для p-n-p-транзистора приведены на рис. 1.10 г, д, е.

Средняя часть рассматриваемых структур называется базой- Б, одна крайняя область - коллектором- К (накопитель электронов), а другая – эмиттером - Э (источник электронов). В несимметричных структурах электрод базы располагается ближе к эмиттеру, а ширина базы зависит от частотного диапазона транзистора и с повышением частоты уменьшается. Полярность напряжений, приложенных к электродам транзистора, показана на рис. 1.10 в,д.

Рис.1.10. Устройство n-p-n-транзистора-a, его схематическое изображение-б и схема завещания в. Устройство p-n-p- транзистора г, его схематическое изображение-д и схема замещения-е

В линейном режиме работы транзистора рис. 1.10 эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный – обратном. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, а в режиме отсечки – в обратном.

Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным. На рис. 1.11 показаны структура транзистора, n-p-n-типа. Конструктивной особенностью биполярных транзисторов является то, что база выполнена слаболегированной, т.е. основных носителей зарядов в ней намного меньше чем в эмиттере и коллекторе.

Рассмотрим работу транзистора типа n-p-n. Между коллектором и базой приложено относительно высокое обратное напряжение U_КБ (рис. 1.11). При отсутствии эмиттерного тока I_Э небольшой обратный ток I_К0 через закрытый коллекторный переход обусловлен движением только неосновных носителей заряда (для транзистора типа n-p-n коллектор). Ток I_К0 не зависит от тока эмиттера, но существенно зависит от температуры и с ее повышением возрастает. Обратный коллекторный ток обычно составляет 10÷100 мкА у германиевых и 0,1÷10 мкА у кремниевых транзисторов.

Рис. 1.11. Движение носителей заряда в транзисторе типа n-p-n

При подаче на переход база-эмиттер прямого напряжения U_ЭБ от источника питания возникает эмиттерный ток I_Э, основные носители заряда – электроны преодолевают переход и попадают в базу. База выполнена из обедненного носителями заряда p-полупроводника и для нее электроны являются неосновными носителями заряда. Попавшие в область базы электроны частично рекомбинируют с дырками базы. Но поскольку толщина базы небольшая и концентрация дырок в базе низкая, рекомбинируют лишь немногие электроны, образуя базовый ток I_Б. Большинство же электронов, попав в ускоряющее электрическое поле вблизи коллекторного p-n-перехода, втягиваются в коллектор, свободно проходя через закрытый p-n-переход. Эта составляющая коллекторного тока мало зависит от напряжения на коллекторном p-n-переходе, т.е. при наличии электрического поля все электроны, за исключением рекомбинировавших, попадают в коллектор. Очевидно, что ток коллектора всегда меньше тока эмиттера на значение тока базы и практически равен току эмиттера.

Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока

Для современных биполярных транзисторов α=0,9÷0,995. При I_э≠0 коллекторный ток транзистора

Таким образом, входным (управляющим) током является эмиттерный ток, а выходным – коллекторный.

Транзисторы p-n-p работают аналогично, только полярности внешних источников меняются на противоположные.

В зависимости от того, какой электрод транзистора используется в качестве общего вывода для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Рассмотренная на рис. 1.11 схема включения называется схемой с ОБ, на практике она используется редко. Наиболее распространенной является схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером (рис.1.12). Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы

Малое значение тока базы во входном контуре и обусловило широкое применение схемы с общим эмиттером.

Рис. 1.12. Включение транзистора типа n-p-n по схеме с общим эмиттером

Рис. 1.13. Входная- а и выходные- б вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Для анализа работы транзистора и для расчетов схем при больших сигналах часто используют вольт-амперную характеристику (ВАХ) транзистора. На рис. 1.13 показаны типовые ВАХ маломощного биполярного транзистора по схеме включения с ОЭ. Зависимость между током и напряжением во входной цепи транзистора I_Б=f₁(U_БЭ) называют входной или базовой характеристикой транзистора (рис. 1.13,а). Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фиксированных значениях тока базы I_К=f₂(U_КЭ)|_Iб=const называют семейством выходных (коллекторных) ВАХ транзистора ( рис. 1.1.13,б). Входная характеристика практически не зависит от напряжения U_КЭ, а выходные приблизительно равноудалены друг от друга и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения U_КЭ. Для аналитических расчетов устройств с биполярными транзисторами используют h-параметры транзисторов.

Параметры h могут быть легко определены по входной и выходным характеристикам транзистора с учетом приведенных выше зависимостей.

Параметр h₁₁ имеет размерность сопротивления, он представляет собой входное сопротивлениебиполярного транзистора. Параметр h₁₂ – безразмерный коэффициент внутренней обратной связи по напряжению. Его значения лежат в пределах 0,002 – 0,0002 и в большинстве случаев им можно пренебречь, т.е. полагать равным нулю. Параметр h₂₁ – коэффициент передачи тока, характеризующий усилительные (по току) свойства транзистора при постоянном напряжении на коллекторе. Параметр h₂₂ имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость транзистора при постоянном токе базы.

Характеристики транзистора сильно зависят от температуры. С повышением температуры резко возрастает начальный коллекторный ток I_К0 вследствие значительного увеличения количества неосновных носителей заряда в коллекторе и базе. В то же время несколько увеличивается и коэффициент h₂₁ из-за увеличения подвижности носителей заряда. h-параметры транзистора, особенно коэффициент передачи тока h₂₁, зависят от частоты переменного напряжения, при котором производят измерения приращений токов и напряжений ΔI_Б, Δ_IК, ΔU_БЭ, ΔU_КЭ, так как на высоких частотах начинает сказываться конечное время, за которое носители заряда (в транзисторе типа n-p-n это электроны) проходят расстояние от эмиттера до коллектора транзистора.

Частоту, на которой коэффициент передачи тока h₂₁ уменьшается до единицы, называют граничной частотой коэффициента передачи тока f_ГР. На практике часто используют частоту f₀, на которой параметр h₂₁ уменьшается в раза.

Рис. 1.14. Рабочая область выходных ВАХ биполярного транзистора

Для предотвращения перегрева коллекторного p-n-перехода необходимо, чтобы его мощность не превышала некоторого максимального значения:

P_К=I_К U_КЭ≤P_{К макс.}

Таким образом, ограничивающей кривой на коллекторных характеристиках является зависимость I_К=P_{К макс}/U_КЭ.

В целях увеличения допустимой мощности коллектора P_{К макс} в мощных транзисторах коллектор для улучшения теплоотвода соединяют с металлическим корпусом транзистора, а сам транзистор монтируют на специальном радиаторе.

Ограничение по допустимой мощности коллектора не является единственным. Если между коллектором и эмиттером приложено слишком высокое напряжение, то может произойти электрический пробой коллекторного p-n-перехода, поэтому необходимо, чтобы при работе транзистора коллекторное напряжение было меньше допустимого:

U_КЭ≤U_{КЭ макс}.

Существует аналогичное ограничение и по коллекторному току

I_К≤I_{К макс},

которое обусловлено допустимым нагревом эмиттерного перехода.

Область, выделенная этими тремя ограничивающими линиями (рис. 1.14), является рабочей областью характеристик транзистора.

Из емкости p-n-переходов существенное значение имеет только емкость коллекторного перехода C_КБ.

Входное сопротивление биполярных транзисторов составляет (10÷100) Ом, выходное (1÷10) кОм.

Диапазоны значений остальных параметров отечественных биполярных транзисторов приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2. Значение параметров биполярных транзисторов.