БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами и тремя (или более) выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда. Роль выпрямляющего электрического перехода (как и в диоде) выполняет p-n переход. В БТ используются одновременно два типа носителей зарядов – электроны и дырки (отсюда и название – биполярный). Переходы транзистора образованны тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования этих областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n типа. В микроэлектронике главную роль играют транзисторы n-p-n типа.

На рис. 2.5 показаны структура и условные графические обозначения БТ.

Рис.2.5. Структура и условное графическое обозначения биполярных транзисторов тип p-n-p а) и n-p-n б).

2.3.1.Принцип работы и основные соотношения.Работа БТ основана на взаимодействии двух p-n переходов; что возможно если толщина b средней области транзистора (базы) меньше длины свободного пробега L (диффузионной длины) носителей заряда в этой области (обычно b〈〈 L ).

Принцип работы БТ рассмотрим на примере транзистора n-p-n типа, для которого концентрация основных носителей в n области существенно выше, чем в p области, т.е. справедливо неравенство . В данной структуре (рис. 2.6) левую n область, которая в нашем примере будет инжектировать электроны в соседнюю p область, называют эмиттером, правую n область, которая в дальнейшем должна экстрактировать (поглощать) находящиеся в соседней p области электроны, называют коллектором, а среднюю область – базой. Соответственно примыкающий к эмиттеру p-n переход называют эмиттерным, а примыкающий к коллектору – коллекторным.

Рис.2.6. Схема распределения токов в n-p-n транзисторе

Приложим к эмиттерному переходу напряжение , обеспечивающее его прямое смещение ( ), а к коллекторному - напряжение , смещающее его в обратном направлении ( ). В этом случае, под действием напряжения из эмиттерной области в базовую инжектируются неосновные для базы носители заряда, в нашем случае это электроны. Инжекцией дырок из области базы в область эмиттера можно пренебречь, так как . При отсутствии напряжения инжектированные электроны (поток ) должны были бы через базовый вывод возвращаться во внешнюю цепь, так как это происходит в полупроводниковом диоде. Однако напряжение создает для них в области базы ускоряющее поле, и они начинают дрейфовать не к выводу базы, а к коллекторному переходу, экстрактируясь (поглощаясь) n областью коллектора (поток ). Последнее возможно, так как b〈〈 L. Электроны, не достигшие коллекторного перехода, рекомбинируя с основными для области базы зарядами (дырками), создают ток базы (поток ). Очевидно, что чем жестче выполняется условие b〈〈 L, тем меньше поток электронов базы и » . Движение электронов под действием напряжений и создает токи , и , протекающие через соответствующие выводы транзистора[i].

Уменьшение потока электронов через коллекторный переход, относительно потока электронов через эмиттерный переход учитывается с помощь коэффициента передачи тока эмиттера - . Тогда . В реальных транзисторах .

Реальный ток коллектора БТ отличается от тока на величину теплового тока . С учетом этого, окончательно имеем:

(2.4)

Из рис.2.6. следует, что . Подставляя в это выражение значение эмиттерного тока из 2.4. получим связь тока базы с током коллектора:

(2.5)

По аналогии с , введем коэффициент передачи тока базы - . Ток называют обратным током коллектора.

Если базовый ток использовать в качестве управляющего, то в рассмотренной структуре выполняются сформулированные в начале лекции условие: входной сигнал способен изменять в выходной цепи ток, значительно превосходящий входной по величине.

2.3.2.Режимы работы.Очевидно, работа рассмотренной структуры определяется полярностью приложенных напряжений. Возможные режимы работы БТ сведены в таблицу 2.3. При рассмотрении режимов работы БТ удобно представлять в виде последовательного соединения двух диодов, что полностью согласуется с его структурой. Заметим, что, на практике, последовательное соединение двух диодов не позволяет получить БТ, так как не выполняется условие, накладываемое на ширину базовой области b〈〈 L.

Режимы таблицы 2.3 относятся к транзистору типа n-p-n. Для транзистора типа p-n-p все полярности напряжений на выводах транзистора необходимо поменять на обратные.

Таблица 2.3. Режимы работы биполярного транзистора

Активный

Насыщение

Отсечка

Инверсный Не используется

В аналоговых преобразователях сигнала используется только активный режим работы БТ. При этом описывая свойства транзистора удобно рассматривать его в качестве четырехполюсника.

2.3.3.Схемы включения.Так как реально транзистор имеет только три вывода, то при рассмотрении его как четырехполюсника возможны три различные схемы включения. Эти схемы приведены на рис 2.7, а в таблицу 2.4. сведены основные их параметры.

а)	б)
в)	г)

Рис.2.7. схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ) а), общим эмиттером (ОЭ) б) и общим коллектором (ОК) в), г).

Таблица 2.4. Схемы включения биполярного транзистора.

Схема включения	Токи	Напряжения	Основные параметры
ОБ
ОЭ
ОК

Из таблицы 2.4 следует, что наибольшим коэффициентом передачи по напряжению ( ) обладает схема ОЭ. Схема ОК превосходит схему ОЭ по значению коэффициента передачи по току ( ), но не обладает коэффициентом усиления по напряжению. Поэтому наибольшим коэффициентом усиления по мощности ( ) обладает схема ОЭ, что и делает ее наиболее применимой при разработке транзисторных устройств.

2.3.4.ВАХ БТ.Очевидно, что, как любой четырехполюсник, БТ характеризуется входными и выходными вольтамперными характеристиками (ВАХ). Эти характеристики для схемы включения ОЭ приведены на рис.2.8.

Входная ВАХ БТ практически повторяет ВАХ полупроводникового диода. Незначительное ее смещение при обусловлено тепловым током обратно смещенного коллекторного перехода. На семействе выходных ВАХ БТ можно выделить три характерные зоны, соответствующие различным режимам его работы. Это зона А соответствующая режиму насыщения, зона В – соответствующая режиму отсечки (эти зоны ВАХ заштрихованы) и зона активного режима работы (на рисунке не заштрихована).

2.3.5. h параметры. Запишем для схемы ОЭ уравнения четырехполюсника в h параметрах

(2.6)

где:

-	входное сопротивление БТ при коротком замыкании выходной цепи;
-	коэффициент обратной связи по напряжению БТ при холостом ходе во входной цепи;
-	коэффициент передачи тока БТ при коротком замыкании в выходной цепи (принято считать );
-	выходная проводимость БТ при холостом ходе во входной цепи.
а)	б)

Рис.2.8 Входная а) и выходные б) характеристики биполярного транзистора в схеме включения ОЭ.

Индекс «э» у коэффициентов уравнения 2.6 показывает, что они относятся к схеме ОЭ. Полученные h-параметры принято называть низкочастотными малосигнальными параметры биполярного транзистора.

Уравнения 2.6 и характеризуют работу БТ в этой зоне, поэтому h параметры этих уравнений могут быть найдены из ВАХ БТ. Причем значения и определяют по входным (рис.2.9 а), а и по выходным (рис.2.9 б) характеристикам. Для этого можно воспользоваться следующими выражениями:

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

Следует помнить, что для расчета h-параметров необходимо использовать участки статических характеристик с малой нелинейностью.

а)

б)

Рис.2.9. К определению h-параметров биполярного транзистора.

2.3.6.Схемы замещения.Анализируя ВАХ БТ можно заметить, что для областей, соответствующих выделенным режимам работы эти характеристики практически линейны. Поэтому, как и для полупроводникового диода, для различных режимов работы БТ могут быть получены линейные схемы замещения. Для их получения воспользуемся методом кусочно-линейной аппроксимации. Полученные таким образом схемы замещения приведены в таблице 2.5. Заметим, что все схемы могут быть разбиты на две самостоятельные части, что значительно упрощает расчет.

Таблица 2.5. Схемы замещения БТ.

Режим	Схема замещения	Условия применения
Насыщение
Активный режим
Отсечка

Входные цепи схем замещения для режима насыщения и активного режима практически повторяют схему замещения полупроводникового диода. Поэтому их параметры определяются по входной ВАХ, аналогично параметрам диода. Параметр является справочным параметром БТ и, фактически, равен введенному ранее коэффициенту передачи тока базы .

2.3.7.Температурная зависимость параметров БТ.Основными факторами, влияющими на изменение характеристик транзистора являются температурные зависимости значений и . Степень этого влияния во многом определяется схемой его включения..

На рис.2.10. приведены входные и выходные ВАХ БТ для схемы включения ОЭ из которых следует, что с увеличением температуры при заданном напряжении токи базы и коллектора возрастает.

Рис.2.10. Входная и выходные характеристики транзистора в схеме ОЭ при различных температурах окружающей среды.

Важно отметить, что увеличение температуры среды способствует увеличению тока коллектора транзистора, что, особенно при построении силовых устройств, приводит к опасности теплового пробоя транзистора.

2.3.8.Частотные свойства БТ.Очевидно, что БТ из-за эффектов изменения объемного заряда в области базы и емкостей p-n-переходов, должен обладать некоторой инерционностью. На практике, его частотные свойства задаются одним из двух параметров. Предельной частотой коэффициента передачи тока эмиттера или базы называется частота, на которой модуль исходного коэффициента ( или ) уменьшается в раз. Эти частоты соответственно обозначаются и . Граничной частотой коэффициента передачи тока эмиттера называется частота, на которой модуль этого коэффициента равен единице. На рис. 2.11 приведены зависимости и от частоты.

2.3.9.Составной транзистор.Как следует из таблицы 2.4, усилительные свойства БТ определяются параметром . Этот параметр зависит от конструкции прибора (фактически толщины базового слоя) и поэтому его значение ограничено технологическими возможностями. Реально значение не превышает нескольких сотен у маломощных и нескольких десятков у мощных БТ. Эффективным способом увеличения значения является использование структуры составного транзистора (рис. 2.12) в которой выходной ток одного БТ используется в качестве управляющего для другого БТ. В первом приближении можно полагать, что при таком включении результирующий коэффициент передачи тока базы равен:

(2.11)

Рис.2.11. Зависимость коэффициента передачи тока БТ от частоты.

Рис.2.12. Составной транзистор эквивалентной структуры n-p-n а) (схема Дарлингтона) и p-n-p б) (схема Шиклая).