Биполярные транзисторы

Общие сведения:

Биполярным транзистором (БТ) называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих перехода и предназначенный для усиления мощности. Название прибора введено в 1948 г. Оно происходит от английских слов transfer (преобразователь) и resistor (сопротивление). Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, содержащий три области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ типов p-n-p и n-p-n. Принцип действия БТ различных типов одинаков. Транзисторы получили название биполярных, так как их работа обеспечивается носителями зарядов двух типов: основными и неосновными.

Схематическое устройство и условные графические обозначения p-n-p и n-p-n транзисторов с элементами выводов имеют вид в соответствии с рисунком 1.29. Среднюю область БТ называют базой. Одну из крайних областей транзисторной структуры создают с повышенной концентрацией примесей называют эмиттером., а другую крайнюю область – коллектором. Два перехода БТ называются эмиттерным и коллекторным.

Рисунок 1.29 – Структуры БТ различных типов и их УГО

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения со входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора: с общей базой; общим эмиттером и общим коллектором. Электрические параметры и характеристи­ки БТ существенно различаются при разных схемах включения. На практике БТ широко используются в качестве усилительных приборов. В этом случае к эмиттерному переходу для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение, а к коллектор­ному переходу, работающему в режиме экстракции, – обратное напряжение. Такой режим работы БТ называется активным.

Кроме рассмотренного выше, БТ может работать в следующих режимах: отсечки, когда оба перехода находятся под действием обратных напряжений; насыщения, когда оба перехода находятся под действием прямых напряжений; инверсном режиме, когда к эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение, а к коллекторному переходу – отпирающее. Последний режим часто встречается при работе БТ в качестве ключа разнополярных-электрических сигналов.

Возможные схемы включения БТ в электрическую цепь выполнены в соответствии с рисунком 1.44.

Технологические типы БТ:

Исторически первыми широко распространившимися БТ явились сплавные транзисторы. Структуры сплавного p-n-p транзистора имет вид в соответствии с рисунком 1.30(а). Здесь в полупроводниковую пластину с проводимостью n-типа с двух сторон вплавляли полупроводниковый материал с проводимостью p-типа. Процесс вплавления продолжался до тех пор, пока расстояние между образующимися p-областями не становилось достаточно малым (от 50 до 60 мкм). Затем полупроводни­ковую пластину укрепляли на металлическом кристаллодержателе и помещали в герметический металлический корпус. Выводы эмиттера и коллектора пропускали сквозь стеклянные изоляторы, закрепленные в корпусе, вывод базы соединяли непосредственно с корпусом. Транзисторы имели малую максимально допустимую постоянную рассеиваемую мощность коллектора Р_{К МАКС} £ 250 мВт, так как отвод тепла происходит вдоль тонкой полупроводниковой пластины базы, имеющей малую теплопроводность. Максимальная рабочая частота сплавных транзисторов не превышала 30 МГц.

Рисунок 1.30 – Технологические типы БТ

Современные БТ изготавливаются по планарной технологии с использованием методов эпитаксии и диффузии. Упрощенная структура планарного вертикального n-p-n БТ со скрытым слоем имеет вид в соответствии с рисунком 1.25 (б). Здесь на полупроводниковой пластине с проводимостью p-типа вначале диффузией создаются скрытые сильнолегированные слои n+ типа и наращивается низкоомный эпитаксиальный слой n- типа. Эпитаксиальный n-слой выполняет функцию коллектора. Толщина скрытого слоя может изменяться от нескольких до десятка микрон. Затем область, в которой будет располагаться биполярная структура, электрически изолируют от остального объема кристалла, для чего ее отделяют с помощью разделительной диффузии областью р-типа. Далее в эпитаксиальном слое диффузией формируют область р-типа, которая служит базой БТ. И наконец, в области базы формируют сильнолегированную область n+ типа, которая является эмиттером БТ. Одновременно с эмиттером подлегируют область контакта к коллектору с целью получения омического контакта. Выходные электроды БТ располагаются в одной плоскости, поэтому транзистор называется планарным. Это упрощает процесс изготовления и позволяет автоматизировать монтаж транзистора в корпус, а также снизить его стоимость.

Локальное введение примесей в полупроводниковую пластину обеспечивается использованием специальных шаблонов и методов литографии.

В результате в конечном итоге распределение примесей в полупроводниковой пластине получается неравномерным в соответствии с рисунком 1.31 (а). Здесь область 1 — соответствует эпитаксиальному n-слою и скрытому n+-слою, 2 — базовой диффузии, 3 — эмиттерной диффузии, 4- примесь в подложке.

Рисунок 1.31 – Характерные профили легирующих примесей для n-p-n БТ

Результирующая характеристика распределения примесей в полупроводнике имеет вид в соответствии с рисунком 1.31 (б). Существенной особенностью рассматриваемой структуры является неравномерное распределение примесей в области базы и возможность создания тонкой (порядка единиц микрометров) базовой области. Благодаря этому в базе создается ускоряющее поле и время движения неосновных носителей зарядов через базу к коллектору уменьшается, что позволяет создавать транзисторы, работающие на частотах до 1 ГГц и более. Транзисторы, имеющие ускоряющее поле в базовой области, получили название дрейфовых.

Принцип работы, основные токи и параметры БТ:

Принцип работы БТ основан на взаимодействии коллекторного и эмиттерного переходов и заключается в управлении током одного из переходов с помощью тока, текущего в другом переходе.

Работу БТ рассмотрим на примере структуры n-р-n, включенной в схеме с общей базой (в соответствии с рисунком 1.32).

Рисунок 1.32 – Работа n-p-n БТ, включенного по схеме с общей базой

К коллекторному переходу приложено обратное напряжение. Пока ток
I_Э = 0, в транзисторе протекает ток неосновных носителей заряда через коллекторный переход. Этот ток называют обратным током коллекторного перехода. При подключении к эмиттерному переходу прямого напряжения U_БЭ в транзисторе возникает эмиттерный ток, равный сумме дырочной и электронной составляющих: I_Э = I_Эp + I_Эn.

Если бы концентрация электронов и дырок в эмиттере и базе была одинаковой, то указанные выше составляющие эмиттерного тока были равны. Но в транзисторе создают эмиттерную n⁺-область с существенно большей концентрацией легирующей примеси (и соответственно электронов)по сравнению с концентрацией легирующей примеси (и соответственно дырок) в базовой области. Это приводит к тому, что число электронов, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число дырок, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток эмиттерного перехода обусловлен электронами.

Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции g _Э. Для БТ со структурой n-p-n он равен отношению электронной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера: g _Э = I_Эn/I_Э. У современных транзисторов g _Э» 0,999.

Инжектированные через эмиттерный переход электроны проникают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. В базе происходит частичная рекомбинация электронов с дырками. Однако, если база тонкая, то преобладающая часть электронов достигает коллекторного перехода, не успев погибнуть в рекомбинационных процессах. Т.е. для того, чтобы переходы смогли провзаимодействовать друг с другом необходимо, чтобы толщина базы была меньше диффузионной для неосновных носителей в ней. Электроны достигшие границы ОПЗ коллекторного перехода попадают в его ускоряющее поле. В результате экстрации они быстро втягиваются из базы в коллектор и далее участвуют в создании тока коллектора.

Малая часть электронов, которая рекомбинирует в области базы с дырками, создает небольшой ток базы I_Б. Ток базы формируется за счет втекания дырок из базового контакта для восполнения «потерь» дырок, погибших в результате рекомбинации. Это процесс обусловлен необходимостью поддержания условия квазинейтральности (электронейтральности) базы. Ток базы равен разности токов эмиттера и коллектора: I_Б = I_Э – I_К. Таким образом, в рассматриваемом активном режиме через БТ протекает сквозной ток от эмиттера через базу к коллектору. Незначительная часть эмиттерного тока ответвляется в цепь базы.

Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на свойства БТ в активном режиме используют коэффициент переноса носителей в базе n_Б. Этот коэффициент показывает, какая часть инжектированных эмиттеров электронов достигает коллекторного перехода:n_Б = I_Kn/I_Эn.

Коэффициент переноса n_Б тем ближе к единице, чем тоньше база и меньше концентрация дырок в базе по сравнению с концентрацией электронов в эмиттере.

Важнейшим параметром БТ является коэффициент передачи тока эмиттера a_. = g_Эn_Б. Так как g _Э и n_Б меньше единицы, то коэффициент передачи тока эмиттера также не превышает единицы. Обычно a изменяется от 0,95 до 0,999. В практических случаях коэффициент a_. находят как отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе

. (1.60)

Поскольку в цепи коллектора, кроме тока, обусловленно­го экстракцией электронов из базы в коллектор, протекает обратный ток коллекторного перехода I_КБ0, то полный ток коллектора

. (1.61)

Однако, учитывая, что ток I_КБ0 незначителен, можно считать I_К» aI_Э. Из последнего выражения видно, что БТ является прибором, управляемым током: значение коллекторного тока зависит от входного эмиттерного тока. Если рассматривать БТ как прибор с зависимыми источниками, то он близок по свойствам к источнику тока, управляемому током (ИТУТ). В свою очередь, входным током I_Э управляет прямое напряжение U_БЭ. Как видно из потенциальной диаграммы в соответствии с рисунком 1.32 (б), с ростом прямого напряжения уменьшается потенциальный барьер эмиттерного перехода. Это сопровождается экспоненциальным ростом тока эмиттера I_Э. К коллекторному переходу в ак­тивном режиме прикладывается большое запирающее напря­жение. Как видно из потенциальной диаграммы, это приводит к значительному увеличению потенциального барьера кол­лекторного перехода. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение в цепи эмит­тера, а токи в цепях эмиттера и коллектора примерно равны, мощность полезного сигнала на выходе схемы оказывается существенно большей, чем на входе. Это и открывает широкие возможности использования БТ в качестве усилительных приборов.

Наилучшим образом усилительные свойства БТ проявляются при включении его по схеме с общим эмиттером в соответствии с на рисунком 1.33.

Рисунок 1.33 – Включение n-p-n БТ по схеме с общим эмиттером

Основной особенностью схемы с общим эмиттером является то, что входным током в ней является ток базы, существенно меньший тока эмиттера. Выходным током, как и в схеме с общей базой, является ток коллектора. Следовательно, коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером равен отношению приращений тока коллектора и приращению тока базы. Этот коэффициент принято обозначать b_.. Нетрудно найти и соотношение между коэффициентами a и b:

. (1.62)

Если, например, a = 0,99, то b = 0,99/(1 - 0,99) = 99.

Таким образом, в схеме с общим эмиттером нетрудно достигнуть больших значений коэффициента усиления по току. А так как при таком включении можно получить усиление и по напряжению, то достигаемый коэффициент усиления по мощности К_P =К_IК_U значительно превосходит значения, достигаемые при других способах включения (с общей базой и с общим коллектором). Это и объясняет широкое применение БТ, включенных по схеме с общим эмиттером.

Входное сопротивление БТ в схеме с общим эмиттером значительно больше, чем в схеме с общей базой. Это следует из очевидного неравенства DU_ВХ/DI_Б >> DU_ВХ/DI_Э.

Представляет интерес определение зависимости выходного тока от входного для схемы с общим эмиттером. Используя приведенное выше выражение для полного тока коллектора, заменим в нем значение тока I_Э на его составляющие I_К + I_Б и выполним элементарные преобразования:

, (1.63)

где I_КБ/(1-a) = I_КЭО – обратный коллекторный ток в схеме с общим эмиттером при I_Б = 0.

В схеме с общим коллектором входной сигнал подается на участок «база – коллектор». Входным током является ток базы, а выходным – ток эмиттера. Поэтому коэффициент передачи тока для этой схемы

. (1.64)

При таком включении БТ обеспечивает большие значения коэффициента передачи тока и имеет высокое входное сопротивление, однако коэффициент передачи напряжения не превышает единицу.

Статические характеристики БТ:

Статические характеристики отражают зависимость между постоянными токами и напряжениями на входе и выходе БТ. Полное представление о свойствах БТ можно получить, воспользовавшись двумя семействами характеристик: входных и выходных. Для схемы с общей базой входные ( и выходные ) характеристики имеют вид в соответствии с рисунком 1.34, из которого видно, что входные характеристики БТ имеют вид вольтамперной характеристики диода при прямом включении. С увеличением отрицательного напряжения U_КБ наблюдается слабо выраженное смещение входных характеристик влево. Это объясняется тем, что электрическое поле, создаваемое напряжением U_КБ почти полностью сосредоточено в коллекторном переходе и оказывает незначительное влияние на прохождение зарядов через эмиттерный переход.

Выходные характеристики БТ в схеме с общей базой в соответствии с рисунком 1.34 представляют собой пологие, почти прямые линии. Это характеризует высокое выходное сопротивление выходной цепи переменному току
(R_К = DU_КБ/DI_Э). При таком включении даже при DI_КБ = 0 происходит явление экстракции и ток коллектора может иметь большое значение, зависящее от тока эмиттера I_Э.

При I_Э = 0 характеристика начинается в начале координат и имеет вид обратной ветви p-n-перехода. Выходной ток I_КБО в этом случае является неуправляемым током коллектора. При I_Э ¹ 0 выходной ток близок к входному. Однако, если меняется поляр­ность напряжения U_КБ, то он резко уменьшается и достигает нуля при значениях U_КБ порядка десятых долей вольта. В последнем случае коллекторный переход работает в прямом направлении. Ток через этот переход резко возрастает и идет в направлении, обратном нормальному рабочему току, что может вывести транзистор из строя. Поэтому на данном участке характеристики показаны штриховыми линиями, они не являются рабочими и обычно на графиках не приводятся.

Семейства входных и выходных характеристик для схемы с общим эмиттером имеют вид в соответствии с рисунком 1.35.

Рисунок 1.34 – Статические характеристики БТ для схемы включения с общ

базой

Рисунок 1.35 – Статические характеристики БТ для схемы включения

с общим эмиттером

Статическая входная характеристика показывает зависимость . С ростом отрицательного напряжения U_KЭ наблюдается сдвиг входных характеристик вправо. При увеличе­нии U_KЭ растет обратное напряжение, приложенное к коллектор­ному переходу и почти все подвижные носители заряда быстро втягиваются в коллектор, не успев рекомбинировать в базе. Поэтому ток базы уменьшается при увеличении напряжения U_КЭ, что видно из рисунка 1.35 (а).

Значения входных токов в схеме с общим эмиттером гораздо меньше, чем в схеме с общей базой. Следовательно, входное сопротивление в схеме с общим эмиттером существенно больше, чем в схеме с общей базой.

Дифференциальные параметры БТ:

Биполярный транзистор удобно представить в соответствии с рисунком 1.36 активным нелинейным четырехполюсником, у которого выходной ток I₂ и входное напряжение U ₁ зависят от входного тока I ₁ и выходного напряжения U ₂. В этом случае четырехполюсник описывается системой уравнений в
h -параметрах.

Рисунок 1.36 – БТ как четырехполюсник

Переходя к мгновенным значениям напряжений и токов, уравнения, связывающие входные и выходные переменные, можно представить в виде

. (1.65)

При малых изменениях токов и напряжений приращения входного и выходного напряжений и токов можно найти из следующих уравнений, в которых частные производные являются дифференциальными H-параметрам и транзистора.

. (1.66)

Следует учитывать, что h -параметры, указанные в общих формулах (1.67) имеют комплексный характер

. (1.67)

Если значения переменных напряжений и токов транзистора существенно меньше значений постоянных напряжений и токов транзистора, то, задавая приращения переменных в виде малых гармонических колебаний с комплексными амплитудами , приведенные выше уравнения можно записать в виде

(1.68)

Здесь и . Каждый из параметров, приведенных в уравнениях, имеет определенный физический смысл:

— входное сопротивление транзистора в режиме малого сигнала (при коротком замыкании на выходе );

— коэффициент обратной связи по напряжению в режиме малого сигнала при разомкнутом входе по переменной составляющей тока;

— коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала (при );

— выходная проводимость в режиме малого сигнала при разомкнутой входной цепи ().

Указанные дифференциальные параметры можно определить по статическим характеристикам БТ, используя вместо частных производных соответствующие им малые приращения токов и напряжений. Значения h -параметров зависят от схемы включения БТ. В справочниках обычно приводят значения h -параметров для БТ, включенных по схеме с общим эмиттером. Для них приняты обозначения H_11Э, H_12Э, H_21Э, H_22Э.

Используя h -параметры, нетрудно представить формальную эквивалентную схему БТ в соответствии с рисунком 1.36, б, справедливую для любой схемы включения транзистора. Очевидно, что это одна из моде­лей приборов с зависимыми источниками.

Система H-параметров называется гибридной, так как одни H-параметры определяются в режиме холостого хода на выходе (), а другие в режиме короткого замыкания на выходе (). При этом параметры имеют разную размерность. Рассмотренные параметры широко используются при расчетах низкочастотных транзисторных схем.