Биполярные транзисторы.

a) Транзистор p - n - p

b) Транзистор n - p - n

Рис. 1.12. Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p–n переходами, обладающими управляющими свойствами (рис.1.12).

Рис.1.13. Схема включения n-p-n траранзистора.

Рассмотрим схему на основе биполярного транзистора n-p-n типа (рис. 1.13). На левом p-n переходе между крайней левой областью (эммитер) и средней областью (база) создается прямое смещение, на правом p-n переходе между базой и крайней правой областью (коллектор) – обратное. Левый эмиттерный переход имеет малый потенциальный барьер для электронов как основных носителей эмиттера, что дает им возможность проникнуть беспрепятственно в базу. В свою очередь электроны в базе могут либо рекомбинировать с дырками, что создаст определенный базовый ток i _Б, либо диффузионно (поле в базе практически равно нулю) пройти правый коллекторный переход, который для них также будет незапирающим, и захватиться полем коллектора. Второй электронный процесс сформирует коллекторный ток i _К, который будет во много раз больше базового, так как благодаря малости размеров и степени легирования базы большая часть электронов пройдет именно в коллектор. Рассматривая область базы как узел для эмиттерного, базового и коллекторного электродов, на основании второго закона Кирхгофа можно записать:

i _Э = i _К + i _Б (1.7).

Рис.1.14 ВАХ биполярного транзистора. Выходная характеристика.

Все вышесказанное поясняет ВАХ биполярного транзистора (рис. 1.14 и 1.15). С ростом тока базы увеличивается коллекторный ток практически линейно (рис.1.14): i _К = b i _Б, и слабо зависит от напряжения коллектор-эмиттер u_кэ. b - коэффициент передачи тока базы, может достигать значений ~ 10³-10⁴ для реальных транзисторов. Это так называемый режим усиления транзистора (участок II ВАХ, рис.1.14). Когда напряжение u_кэ мало (начальный участок I ВАХ, рис.1.14), наблюдается резкое падение коллекторного тока с уменьшением u_кэ и он слабо зависит от тока базы. Говорят, что транзистор при этом находится в режиме насыщения, который характеризуется тем, что оба перехода, как эмиттерный, так и коллекторный смещены в прямом направлении, и для электронов прошедших в базу из эмиттера коллекторный переход является в этом случае уже запирающим. В связи с этим в базе происходит накопление носителей и их интенсивная рекомбинация, и ток базы может оказаться сравнимым с током эмиттера.

ВАХ транзистора (рис.1.15) определяющая зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер, как правило, имеет крутой подъем коллекторного тока, начиная с определенного напряжения U _БЭпор, называемого пороговым. Для подобного вида нелинейной ВАХ хорошо подходит кусочно-линейная аппроксимация с U _H = U _{БЭ пор} .

Рис.1.15 ВАХ биполярного транзистора. Проходная характеристика.

Отметим, что при анализе транзистора в мы не учитывали еще обратные токи переходов (обратные токи коллектора и эмиттера), обусловленные токами неосновных носителей, связанными с процессами тепловой генерации, а также токами утечки по поверхности полупроводника. В некоторых случаях они могут существенно влиять на работу транзистора, например, при стабилизации работы усилителя (см. 5.3.2). В этом плане особенно важен обратный ток коллектора i_KБО, который в схеме (рис. 1.13) определяется как ток коллектора при токе эмиттера равной нулю, т.е. когда цепь эмиттер - база разомкнута. Он представляет собой суммарную не управляемую со стороны эмиттера составляющую тока коллектора. Таким образом, общий ток коллектора равен сумме двух составляющих:

(1.8),

где a = b /(1+ b) - коэффициент передачи тока эмиттера, как правило, лишь немного меньше единицы.

Тиристоры.

Элементы с падающим участком вольтамперной характеристики (т.е. с ОДС) аналогичных ламповому тетроду можно создать и на основе полупроводниковых материалов с p - n переходами. Такие приборы, называемые тиристорами, чаще всего выпол­няют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротив­лением. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Первые из них называют динисторами, вторые – тринисторами.

Оба класса тиристоров представляют собой приборы с четырехслойными p-n-p-n структурами (см. рис. 1.16). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n -областью, называется катодом, а с внешней p -областью – анодом. Для тринисторов дополнительный управляющий электрод подключен либо к средней n -области, либо к средней p -области в зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей. Соответственно различают тринисторы с анодным и катодным управлением (рис.1.16 б и c).

Рис. 1.16. Тиристоры: (а) динистор, (b) тринистор с анодным управлением, (с) тринистор с катодным управлением, d) обозначение тиристора.

Рассмотрим кратко работу динистора.

С учетом знаков приложенного напряжения (рис.1.17) эмиттерные переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на среднем переходе 2, смещенным в обратном направлении, который назовем коллекторным.

Рис.1.17. Схема динистора с последовательным включением p ₁ -n ₁ -p ₂ и n ₁ -p ₂ -n ₂ транзисторов.

Через переход 1 первого p ₁ -n ₁ -p ₂ транзистора дырки инжектируются из p ₁-области n ₁-область, играющий роль базы. Пройдя базу и коллекторный переход 2, дырки появляются в p ₂-области, который является одновременно коллектором первого и базой второго (уже n ₁ -p ₂ -n ₂) транзистора. Этот ток определяется из выражения (1.8):

I_p = I_pKБО + α ₁I_Э (1.9),

где I_pKБО – обратный дырочный ток коллекторного перехода 2, α₁ – коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

Дырки в p ₂-базе второго транзистора создают некомпенсированный положительный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n ₂ в область p ₂, являющуюся базой для второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n ₁ второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (p ₁- n ₁- p ₂).

Этот электронный ток (см.(1.8)) равен:

I_n = I_nKБО + α ₂I_Э (1.10),

где I_nKБО – обратный электронный ток коллекторного перехода 2, α ₂ – коэффициент передачи тока эмиттера второго транзистора.

Эмиттерные токи I_Э обоих транзисторов равны внешнему току цепи. Суммируя оба тока (1.9) и (1.10), получаем

(1.11),

где I_KБО = I_pKБО + I_nKБО – суммарный обратный ток коллекторного перехода 2, a = a ₁ + a ₂ – суммарный коэффициент передачи тока.

Как видно из формулы (1.11) при a ®1 I _Э®¥. Это есть условие положительной обратной связи переключения динистора, при котором инжекция электронов в область n ₁ вызывает встречную инжекцию дырок из области p ₁ в область n ₁, и наоборот, так что ток в эквивалентных транзисторах лавинообразно возрастает.

Рассмотренные процессы определяют ВАХ динистора (рис.1.18), на прямой ветви которой можно выделить две устойчивые зоны: область III с малыми значениями тока при больших значениях напряжения и область отпирания I с большими токами при малых напряжениях. Точки B и A соответствуют выполнению условию a = 1 и называются точками включения и удержания динистора соответственно. Между этими точками находится зона II, где динистор обладает ОДС.

Рис.1.18. ВАХ динистора. Пунктиром показан участок с ОДС.

Обратная ветвь ВАХ динистора аналогична ВАХ диода.

Если управление током динистора возможно только за счет изменения напряжения внешнего источника, управление (сквозным) током тринистора можно осуществлять током одной из базовых областей (рис.1.16 б и c). Для этого на управляющий электрод необходимо подать напряжение такой полярности, которая обеспечит отпирание соответствующего эмиттерного перехода. Как видно из рисунка 1.19, с возрастанием I _упр уменьшается напряжение включения тринистора, так что при достаточно большом значении I _упр вид прямой ветви ВАХ будет аналогичен прямой ветви ВАХ диода.

Рис. 1.19. ВАХ тринистора.

Отметим, что в отличие классических планарных четырехслойных тиристоров существуют их различные модификации в зависимости от количества и формы p-n -контактов. Например, тиристоры, называемые симметричными, могут переключаться, как в прямом, так и обратном направлении.

Дата добавления: 2015-11-14