Биполярный транзистор

Биполярным транзистором (обычно его называют просто транзистором без уточнения) называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими переходами и тремя выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции* неосновных носителей заряда. Транзистор называют биполярным, т. к. в процессе протекания электрического тока участвуют носители заряда обеих полярностей — электроны и дырки.

Биполярный транзистор в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Средний слой и соответствующий вывод называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором. Переходы между эмиттером и базой, а также базой и коллектором называют соответственно эмиттерным и коллекторным переходами.

При рассмотрении процессов, происходящих в транзисторе, его удобно представлять плоскостными структурными схемами. На рис. 17 показаны плоские структурные схемы биполярных транзисторов структуры p-n-p и n-p-n (по чередованию областей полупроводника), а также УГО этих транзисторов.

Рис. 17

л5р1

Транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости (структуры), а транзисторы структуры n-p-n — транзисторами обратной проводимости (структуры). Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения источников напряжения к их электродам противоположная. В дальнейшем будем рассматривать биполярный транзистор проводимости n-p-n, как более распространенный.

На структурной схеме транзистор представлен как симметричная структура, т. е. любая крайняя область может быть как эмиттером, так и коллектором. Однако в реальных транзисторах области полупроводника, называемые эмиттером и коллектором существенно различаются — область коллектора выполняется большей по размеру, соответственно, коллекторный p-n переход имеет большую площадь.

Биполярный транзистор имеет два p-n перехода, которые могут быть смещены каждый в прямом или обратном направлении. Таким образом, существует четыре режима работы транзистора:

· оба перехода смещены в прямом направлении — режим насыщения;

· оба перехода смещены в обратном направлении — режим отсечки;

· эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный переход смещен в обратном направлении — нормальный или активный режим;

· эмиттерный переход смещен в обратном направлении, коллекторный переход смещен в прямом направлении — инверсный или обратный режим.

Рис. 18	л5р2

Основным режимом работы транзистора является нормальный режим. На рис. 18 показано подключение источников напряжения, обеспечивающих такой режим работы для транзистора обратной проводимости.

При рассмотрении процессов, протекающих в транзисторе, сделаем ряд допущений, не отраженных на рис. 18: заряды распределены равномерно, поверхностные эффекты отсутствуют, толщина базы незначительна, эмиттер насыщен донорной примесью во много раз сильнее, чем база акцепторной, коллектор по площади существенно больше эмиттера.

Подключенные к транзистору внешние источники существенно различаются по напряжениям: напряжение U_ЭБ сопоставимо с величиной потенциального барьера эмиттерного перехода, напряжение U_БК существенно больше и ограничено только величиной пробоя коллекторного перехода.

При включении источников U_ЭБ и U_БК потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается за счет напряжения U_ЭБ, коллекторного — повышается за счет напряжения U_БК. Электроны эмиттера легко преодолевают понизившийся потенциальный барьер и за счет диффузии инжектируются в базу, а дырки базы — в эмиттер. Далее электроны, пришедшие в базу, диффундируют в ней в направлении коллекторного перехода. Из-за малой толщины базы лишь малая их часть рекомбинирует с дырками базы, а большинство электронов достигает коллекторного перехода. Поскольку поле смещенного в обратном направлении коллекторного перехода является для электронов ускоряющим, они втягиваются через коллекторный переход в коллектор, т. е. происходит экстракция электронов в коллектор. Распространяясь вдоль коллектора, электроны достигают контакта коллектора, через который уходят во внешний источник напряжения.

Рис. 19	л5р3

Основные носители заряда коллектора (электроны), вследствие того, что коллекторный переход включен в обратном направлении, практически из коллектора в базу не уходят.

Рассмотрим токи, сформированные в транзисторе движением носителей заряда (рис. 19). В эмиттере электроны создают ток , а в коллекторе они представляют собой электронную составляющую тока коллектора . Ток меньше тока на величину тока , определяемого рекомбинацией электронов в базе, и называемого базовым током рекомбинации:

.

Ток является нежелательным, поэтому его стремятся уменьшить за счет снижения толщины базы. Потерю электронного тока на рекомбинацию в базе характеризует коэффициент переноса электронов:

.

Помимо электронного тока через эмиттер протекают дырочный ток , обусловленный переходом в область эмиттера дырок базы, а также обратный ток эмиттерного перехода , образованный неосновными носителями (дырки в эмиттере и электроны в базе). Составляющая тока эмиттера замыкается в цепи база-эмиттер, не протекает через коллектор и является вредной, вызывая дополнительный нагрев транзистора. Для того, чтобы уменьшить ток , базу насыщают примесью во много (примерно на два порядка) раз меньше, чем эмиттер. Значение обратного тока мало и он не влияет на ток коллектора, поэтому этим током пренебрегают. Таким образом, ток эмиттера равен , эффективность эмиттера характеризуется коэффициентом инжекции:

.

Через базу и коллектор протекает обратный ток коллектора , который определяется движением неосновных носителей базы и коллектора. Величина является параметром транзистора, характеризующим его качество — чем меньше обратный ток коллектора, тем транзистор лучше. Обратный ток коллектора — это тепловой ток коллекторного перехода. Он вызывается термогенерацией и с повышением температуры растет по экспоненциальному закону. Считается, что при повышении температуры на 10 градусов в германиевых транзисторах обратный ток коллектора удваивается, а в кремниевых — увеличивается в 2,5 раза. При комнатной температуре значение у германиевых транзисторов примерно на порядок больше, чем у кремниевых.

Ток коллектора транзистора определяется следующей зависимостью:

.

Используя выражения для коэффициентов инжекции и переноса заряда, можно записать, что

,

ф5 (5)

где — коэффициент передачи тока эмиттера в нормальном (индекс N) режиме работы. Следовательно, величина тока коллектора определяется током эмиттера. В целом для биполярного транзистора можно записать следующую зависимость:

,

ф6 (6)

которая вытекает из первого закона Кирхгофа и является несколько иной формой записи выражения (5). Так как ток базы стремятся сделать незначительным (), можно считать, что , т. е. изменение тока эмиттера вызовет адекватное изменение тока коллектора.

При схематичном изображении направления токов на рис. 19 следует иметь ввиду, что за положительное направление принято движение положительно заряженных частиц. Следовательно токи на этом рисунке противоположны реальным токам в рассматриваемом транзисторе обратной проводимости, которые определяются движением электронов. Из рис. 19 следует, что ток вытекает из эмиттера транзистора данной проводимости, что находит отражение в направлении стрелки на УГО этого транзистора.

В транзисторе прямой проводимости определяющую роль играет движение дырок. Так как скорость движения дырок в два-три раза меньше скорости движения электронов, то транзисторы прямой проводимости как правило имеют худшие параметры, чем транзисторы обратной проводимости.

Итак, в биполярном транзисторе (без различения его структуры) наблюдается сквозное движение носителей заряда от эмиттера через базу к коллектору. Назначение эмиттера — инжекция (впрыскивание) в область базы неосновных для нее носителей; назначение коллектора — экстракция (втягивание) носителей из базы. Током коллектора можно управлять за счет изменения тока эмиттера. Ток эмиттера является управляющим, а ток коллектора — управляемым. Поэтому биполярный транзистор называют прибором, управляемым током.

В схеме подключения биполярного транзистора к источникам напряжения, показанной на рис. 18 и 19, напряжение является входным. При изменении этого напряжения меняется величина потенциального барьера эмиттерного перехода, что ведет к изменению тока эмиттера и тока коллектора. Выходным сигналом в данной схеме может являться напряжение на нагрузке, включаемой в цепь коллектора последовательно с источником . Как видно, к базе транзистора подключены цепи входного и выходного сигналов. Такое включение биполярного транзистора называют включением (или схемой) с общей базой (ОБ). Помимо этой схемы существуют еще две основные схемы включения биполярного транзистора в электронные цепи схема с общим эмиттером (ОЭ) и схема с общим коллектором (ОК). В схеме ОЭ общим выводом является эмиттер: входной сигнал подается между базой и эмиттером, а выходной сигнал снимается между коллектором и эмиттером. В схеме ОК общим выводом для входного и выходного сигналов является коллектор. На рис. 20, а,б,в показаны соответственно схемы ОБ, ОЭ, ОК.

а)	б)	в)
Рис. 20	лр3р1

Биполярный транзистор обладает свойством усиливать электрический входной сигнал, поэтому его можно использовать в качестве активного элемента. Под усилением сигнала обычно подразумевается усиление мощности полезного сигнала, которое можно наблюдать при изменении или тока, или напряжения, или того и другого. В зависимости от схемы включения (ОБ, ОЭ, ОК) транзистор усиливает либо ток, либо напряжение, либо то и другое.

В схеме с ОБ значение тока коллектора близко к значению тока эмиттера, следовательно, усиления по току данная схема не обеспечивает. Однако в этом случае имеется усиление по напряжению и, следовательно, по мощности. Поскольку сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, а также нагрузки включены последовательно и ток через них почти одинаков, небольшое изменение тока эмиттера вызовет небольшое изменение напряжения в эмиттерной цепи, тогда как в коллекторной цепи это изменение будет весьма значительным, если велико. В этом случае напряжение, а следовательно, и мощность возрастут во много раз.

В схеме с ОЭ происходит усиление по току и по напряжению. Входным током является ток базы, значительно меньший тока эмиттера. Изменение входного напряжения меняет высоту потенциального барьера эмиттерного перехода и число основных носителей заряда эмиттера, проходящих через базу в коллектор. Так как в базу от источника входного сигнала поступает меньше носителей, чем инжектируется из эмиттера в базу и коллектор, то незначительное увеличение тока во входной цепи вызывает существенное изменение тока в выходной цепи. Таким образом, транзистор, включенный по схеме с ОЭ, характеризуется большим усилением по току. При этом имеется и усиление по напряжению: в цепь коллектора можно включить резистор с большим сопротивлением, напряжение на котором будет больше, чем входное. Соответственно, происходит усиление и по мощности.

В схеме с ОК происходит усиление по току и по мощности, усиления по напряжению нет.

Поведение транзистора в статических условиях, т. е. при отсутствии входного сигнала, определяют характеристики трех типов, получаемых обычно для конкретной схемы включения транзистора:

· входная характеристика, или зависимости входного тока от входного напряжения;

· выходная характеристика, или зависимости выходного тока от выходного напряжения;

· передаточная характеристика, или зависимости выходного тока от входного тока.

Рис. 21	лр3р2

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОБ, называют зависимость тока эмиттера от напряжения база-эмиттер при фиксированном значении напряжения коллектор-база. Входной характеристикой называют также график этой зависимости. Входная характеристика в значительной степени определяется характеристикой эмиттерного перехода и поэтому аналогична характеристике диода (рис. 21). На данном рисунке представлены две входные характеристики для одного транзистора, полученные при различных напряжениях коллектор-база. Наблюдаемый сдвиг характеристики влево при увеличении напряжения является проявлением эффекта Эрли. Эффект Эрли состоит в изменении толщины базы транзистора при изменении напряжения . При увеличении этого напряжения коллекторный переход, как и любой обратно смещенный p-n переход, расширяется. Расширение перехода ведет к уменьшению области базы. Уменьшение толщины базы ведет к уменьшению ее сопротивления, что вызовет уменьшение напряжения при фиксированном эмиттерном токе. Эффект Эрли часто называют эффектом модуляции толщины базы.

Рис. 22	лр3р4

Выходной характеристикой для схемы с ОБ называют зависимость тока коллектора от напряжения база-коллектор при заданном токе эмиттера. Вид данной зависимости показан на рис. 22. Аналитически семейство выходных характеристик описывается выражением (5) при условии . В связи с тем, что коллекторный переход смещен в обратном направлении (), обратный ток коллектора мал и полный ток коллектора примерно равен току эмиттера. Это соотношение токов при достаточно большом эмиттерном токе сохраняется вплоть до .

Когда коллекторный переход смещается в прямом направлении (), ток коллектора уменьшается и становится равным нулю при равенстве слагаемых в выражении (5). Режим работы транзистора, при котором , и ток эмиттера достаточно велик, является активным режимом. На рис. 22 ему соответствует так называемая область активной работы. В случае транзистор переходит в режим насыщения.

На выходной характеристике выделяют область отсечки. В режиме отсечки , поэтому ток коллектора сопоставим с обратным током коллектора.

В активном режиме работы на коллекторном переходе может выделяться значительная мощность. Чтобы не допустить теплового разрушения транзистора, эту мощность ограничивают некоторой величиной и график максимально допускаемой мощности наносят на выходную характеристику.

Часто используются характеристики транзистора, полученные для схемы ОЭ. Входной характеристикой транзистора в этом случае называют зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер при заданном напряжении коллектор-эмиттер. Возможный вид данной характеристики представлен на рис.23,а.

В связи с тем, что входная характеристика по сути характеризует эмиттерный переход транзистора, данная характеристика соответствует ВАХ полупроводникового диода. Эффект Эрли проявляется в том, что при увеличении напряжения характеристики смещаются вправо.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ — это зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер-коллектор при заданном базовом токе. Возможный вид выходной характеристики показан на рис. 23,б. Аналитически семейство выходных характеристик транзистора в схеме ОЭ описывается выражением

,

которое получается из (5) и (6). Множитель представляет собой коэффициент усиления по току в схеме ОЭ и называется коэффициентом передачи тока базы . Иногда его обозначают как .

а)	б)
Рис. 23	лр3р7

Выходная характеристика позволяет построить зависимость выходного (коллекторного) тока транзистора от входного (базового) тока, т. е. получить его передаточную характеристику. Если не учитывать обратный ток коллектора, то ток коллектора связан с базовым током через коэффициент передачи тока базы: , т. е. передаточная характеристика должна иметь вид прямой линии. Реально данная характеристика отличается от линейной. На рис. 24 показаны зависимости коэффициента от тока коллектора , напряжения на коллекторном переходе и температуры.

Рис. 24

Уменьшение коэффициента усиления в области малых токов коллектора объясняется уменьшением коэффициента инжекции из-за рекомбинации в эмиттерном переходе. Спад в области больших токов объясняется увеличением удельной проводимости базы при высоких концентрациях избыточных носителей.

Зависимость коэффициента от напряжения на коллекторном переходе обусловливается главным образом эффектом Эрли — при снижении толщины базы значение увеличивается.

Увеличение температуры снижает уровень рекомбинации в базе, тем самым увеличивая .

Характеристики для схемы с ОЭ не отражают никакие новые физические эффекты по сравнению с характеристиками для схемы с ОБ и не несут никакой принципиально новой информации о свойствах транзистора. Тем не менее характеристики для схемы с ОЭ очень широко используют на практике (и приводят в справочниках), т. к. схемы ОБ применяются относительно редко.

Дата добавления: 2015-07-14