Частотные свойства биполярного транзистора

Схема включения, принцип действия, электрическая модель,

Биполярным транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый усилительный прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода. Условные графические обозначения транзисторов в схемах приведены на рис.1.

В транзисторе чередуются три области полупроводника с различным типом проводимости. В зависимости от порядка чередования различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п. Принцип действия их одинаков.

Чередующиеся области транзистора называют эмиттером, базой и коллектором. Каждая область снабжена соответствующими выводами (электродами).

Эмиттер - крайняя область транзистора, предназначенная для инжекции носителей заряда в базу. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным. В активном (усилительном) режиме на него подано прямое напряжение.

Коллектор - вторая крайняя область, предназначенная для экстракции носителей заряда из базы. Название "коллектор" означает "собиратель". Электронно-дырочный переход между коллектором и базой называют коллекторным. В активном режиме на него подано обратное напряжение.

База - средняя область, обеспечивает взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами. Управляющие напряжения U_эб, U_кб, практически полностью приложены к р-п-переходам, поэтому если база однородная, движение носителей заряда в ней чисто диффузионное за счет разности их концентрации. Такие транзисторы называют бездрейфовыми. Транзисторы с неоднородной базой называют дрейфовыми.

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании трех основных явлений (рис 2.):

- инжекции носителей из эмиттера в базу при подаче на эмиттерный переход прямого напряжения;

- переноса инжектированных в базу неосновных носителей к коллекторному переходу вследствие диффузии или дрейфа;

экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор при подаче на коллекторный переход обратного напряжения.

Принцип действия транзистора заключается в том, что задающий ток входной низкоомной цепи эмиттера (эмиттерный переход открыт) эффективно управляет током в выходной высокоомной цепи коллектора (коллекторный переход закрыт). Такое взаимодействие происходит за счет тонкой базы. Большая часть носителей, инжектируемых из эмиттера через эмиттерный переход (для базы они являются неосновными) успевает достичь за счет диффузии коллекторного перехода и под действием ускоряющего для них электрического поля перейти в область коллектора, замыкая цепь выходного тока. Для того чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически полностью переходил в коллекторную область транзистор имеет ряд конструктивных особенностей:

- эмиттер легируется сильнее базы на несколько порядков. При таких условиях преобладает поток основных носителей из эмиттера в базу, который является управляемым.

- толщина базы много меньше диффузионной длины носителей W<<L, у современных транзисторов обычно W<<1мкм, тогда как L=5 - 10мкм (диффузионная длина L характеризует то расстояние, на которое успевают продиффундировать носители за время жизни).

Площадь коллекторного перехода в несколько раз больше площади эмиттерного перехода для более эффективного отбора носителей из базы. Для увеличения максимально допустимого напряжения коллектора U_кбmax, которое зависит от толщины коллекторного перехода, коллектор легируется слабее эмиттера (но сильнее базы). При этом с ростом U_кб коллекторный переход расширяется в основном в область базы, уменьшая её толщину.

Коллекторный ток (выходной) транзистора определяется в основном количеством неосновных носителей в базе вблизи коллекторного перехода,

а оно, в свою очередь, зависит от количества инжектированных в базу из эмиттера неосновных носителей и от того, какая часть их них, не рекомбинировав в базе, подойдет к коллекторному переходу. Коллекторный ток и ток эмиттера связаны через коэффициент передачи тока эмиттера . Его значение близко к единице и может доходить до 0,999. В высококачественных транзисторах коллекторный ток близок по величине к току в цепи эмиттера. Так как ток инжекции через эмиттерный переход определяется приложенным к переходу прямым напряжением, то, меняя это напряжение, можно изменять величину тока в цепи коллектора.

Таким образом, транзистор представляет собой управляемый прибор. Поскольку напряжение в цепи коллектора, переход которого включен в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмитте­ра, переход которого включен в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т.е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями между токами и напряжениями в различных его цепях и их взаимным влиянием друг на друга.

При работе транзистора на высоких частотах ухудшаются его качества как усилительного элемента. Все это связано с наличием барьерных емкостей переходов, сопротивления областей структуры (в первую очередь распределенного сопротивления базы), конечного времени пролета носителей через базу и коллекторный переход, инерционности процессов накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и др.

Для количественной оценки влияния перечисленных выше факторов на частотные свойства транзисторов используются модели в виде схем замещения. На практике широкое распространение получила гибридная схема замещения, наиболее полно соответствующая структуре транзистора (рис 3 ).

Для отображения свойств транзистора как активного элемента и учета влияния входного напряжения на ток коллектора, в схему вводится

управляемый источник тока. Особенностью схемы является то, что в широком диапазоне частот ее элементы можно считать независящими от частоты. Обычно гибридную схему замещения используют для характеристики транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

Таким образом, биполярный транзистор является усилительным прибором, в котором управление выходным током можно осуществлять небольшими изменениями напряжения (тока) во входной цепи.