Биполярные транзисторы

Название транзистор происходит от английского Transfer Resistor – преобразующий сопротивление, а биполярный означает тот факт, что в процессе создания тока учавствуют носители зарядов двух типов – электроны и дырки.

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами, обладающий усилительными свойствами.

Существует две полупроводниковые структуры биполярных транзисторов: p-n-p и

n-p-n типа (рис. 2.4.а и б соответственно). Биполярный транзистор имеет три чередующиеся полупроводниковые области различной проводимости - эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К). Переход между эмиттером и базой (П₁) называется эмиттерным, переход между базой и коллектором (П₂) - коллекторным. База транзисторавыполняется тонкой, меньше диффузионной длины росителей заряда (несколько микрометров), то есть меньше , где D – коэффициент диффузии носителей заряда, τ – время жизни неравновесных носителей заряда.

Диффузионная длина L – это расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда вследствие их рекомбинации уменьшается в е раз( 2,7 раза). Для электронов и дырок диффузионная длина и время жизни величины разные.

В транзисторе степень легирования полупроводниковых областей разная: эмиттерная и коллекторная области – сильно легированы, база - слабо легирована, то есть обеднена основными носителями заряда (НЗ).

2.3.1. Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основных способа включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ) (рис. 2.5). При любом способе включения в цепь входного электрода включается источник входного сигнала, а в цепь выходного – нагрузка. Набольшее применение находит схема с ОЭ, т.к. она обладает наибольшим коэффициентом усиления по току. Рассмотрим её работу на примере p-n-p-транзистора. На рис. 2.6 в областях Э и К показаны только основные НЗ - дырки, в области Б – основные НЗ и не- основные НЗ. Источник Е₂ смещает эмиттерный переход в прямом направлении; источник Е₁– смещает коллекторный переход в обратном направлении. За счет источника Е₂ через прямосмещенный эмиттерный переход начинается инжекция основных НЗ (дырок) из Э в Б транзистора, где они становятся неосновными НЗ.

Это дырочная составляющая эмиттерного тока. Электроны из Б инжектируются в Э, образуя электронную составляющую тока эмиттера. Но, поскольку база обеднена основными НЗ, то электронная составляющая тока эмиттера будет очень незначительной. Можно считать, что ток эмиттера полностью состоит из дырочной составляющей.

Большая часть дырок, инжектированных в Б, диффундирует к коллекторному переходу, захватывается полем этого перехода и перебрасывается из Б в К, создавая в коллекторной цепи ток, пропорциональный току эмиттера:

I_к^' = aI_э,

где a - коэффициент передачи тока эмиттера. Обычно a близок к 1 (> 0,99).

Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток I_к0 (за счет собственных неосновных НЗ - дырок в базе). То есть, полный ток коллектора

I_к = I_к^' + I_к0 = aI_э + I_к0.

Небольшая часть дырок, попадая в область Б, рекомбинирует с основными НЗ базы - электронами, образуя ток базы I_б, величина которого небольшая - несколько % тока эмиттера.

Ток базы состоит из суммы очень небольшой электронной составляющей тока эмиттера и тока за счет рекомбинации некоторой части дырок с электронами в базе транзистора за вычетом обратного тока коллектора, то есть

I_б = I_эn + I_э.рек - I _к0.

Таким образом, в транзисторе существуют три тока, причем всегда ток эмиттера равен сумме двух токов - тока коллектора и базы:

I_э = I_б + I_к.

Так как I_к aI_э, то то есть или I_к (1 - a) = a I_б, откуда

.

Величина b = называется коэффициентом передачи тока базы:

Iк = bI_б.

Поскольку коэффициент a близок к 1, коэффициент b может достигать .

При включении с общей базой ток коллектора ,

где = – интегральный коэффициент передачи тока эмиттера , - обратный ток коллекторного перехода.

Схема с ОК обладает коэффициентом усиления по напряжению К _U ≤ 1 и большим входным и малым выходным сопротивлениями. Её часто называют эмиттерным повторителем и используют для согласования высокоомных и низкоомных цепей.

2.3.2. Статические характеристики транзисторов

Для каждой схемы включения транзисторов существует четыре семейства статических характеристик:

- входные I _ВХ = f(U _ВХ) при U _ВЫХ = const;

- выходные I _ВЫХ = f(U _ВЫХ) при I _ВХ= const;

- передачи по току I _ВЫХ = f(I _ВХ) при U _ВЫХ = const;

- характеристики обратной связи по напряжению U _ВХ = f(U _ВЫХ) при I _ВХ = const;

Для схемы включения ОЭ общий вид входных и выходных характеристик приведен на рис. 2.7.

2.3.3. Динамический режим работы транзистора

Для транзистора, с включенным в коллекторную цепь сопротивлением нагрузки R_К, справедливо соотношение:

, (2.1)

где - напряжение источника коллекторного питания. Таким образом, напряжение на выходе транзистора является функцией тока коллектора. Приведенному выше уравнению в системе координат выходных характеристик соответствует прямая линия, называемая нагрузочной прямой на постоянном токе (рис. 2.7 прямая MN). Её можно построить по двум точкам, если в уравнении (2.1) последовательно положить

= 0 и = 0 и найти точки M и N. Смысл нагрузочной прямой заключается в следующем. Каждому значению коллекторного тока соответствует конкретное значение и конкретное падение напряжения на нагрузке . Точка на нагрузочной прямой, соответствующая данному коллекторному току, называется рабочей точкой (точка Р на рис. 2.7). При линейном усилении (усилении без искажения формы сигнала), рабочая точка под действием управляющего базового сигнала будет перемещаться по нагрузочной прямой в пределах зоны статических характеристик, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения .

2.3.4. Параметры транзистора как четырехполюсника

Транзистор является нелинейным элементом, так как его характеристики определяются нелинейными зависимостями между токами и напряжениями. Однако, если входной сигнал по амплитуде будет меньше по сравнению с постоянным напряжением, соответствующим точке покоя, то в некоторой рабочей области участки статических ВАХ можно считать линейными. В этом режиме (режим малого сигнала) приращения между токами и напряжениями так же можно считать линейными, а транзистор представлять в виде четырехполюсника (рис. 2.9)

U₁ = f₁ (I₁, U₂); I₂ = f₂ (I₁, U₂). (2.2)

Если при малых изменениях независимых величин приращения зависимых величин разложить в ряд Тейлора и пренебречь членами второго и высших порядков, то (2.2) можно представить в виде:

∆U₁ = ∆I₁ + ∆U₂

∆I₂ = ∆I₁ + ∆U₂ (2.3).

Заменив приращения значениями токов и напряжений и введя для частных производных обозначение через параметр h_ij, (2.3) можно преобразовать к форме:

U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U_2; I₂ = h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂ (2.4)

где - постоянные коэффициенты, которые принято называть -параметрами. Эти коэффициенты имеют определенный физический смысл:

· h ₁₁ = при U ₂ = const - входное сопротивление в режиме малого сигнала при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

· h ₁₂ = при I ₁ = const - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе четырехполюсника;

· h ₂₁ = при U ₂ = const - коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

· h ₂₂ = при I ₁ = const - выходная проводимость в режиме малого сигнала при холостом ходе на входе четырехполюсника.

Эти параметры могут быть записаны для любой схемы включения биполярного транзистора. Для схемы ОЭ при замене дифференциала на приращения - параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора:

h ₁₁ = ∆U _бэ / ∆I _б при U _кэ = const; h ₁₂ = ∆U _бэ /∆U _кэ при I _б = const;

h ₂₁ = ∆I _к / ∆I _б при U _кэ = const; h ₁₂ = ∆I _к /∆U _кэ при I _б = const.

Используя - параметры в схемах замещения биполярного транзистора, можно достаточно просто проводить аналитический расчет схем на основе известных уравнений для линейных цепей.

Рис.2.10. Схема замещения БТ системой h-параметров