Главная | Обратная связь

Біполярні транзистори

Класифікація та будова транзисторів. Біполярні транзистори є активними напівпровідниковими приладами, що забезпечують підси­лення потужності електричних сигналів. Будова біполярного транзис­тора така. Між трьома шарами напівпровідника різної електропровід­ності на межі їх поділу є два р-n-переходи. В залежності від харак­теру електропровідності зовнішніх шарів розрізняють транзистори типу р-п-р (рис.) і n-р-п (рис.). Умовні позначен­ня транзисторів цих типів показані відповідно на рис.

Внутрішню область монокристала транзистора, що розділяє р-п-переходи, називають базою (В). Зовнішній шар монокристала, що призначений для інжектування (впроваджування) носіїв заряду в ба­зу, називають емітером (Е), а р-n-перехід П1, що примикає до емітера,— емітерним. Інший зовнішній шар, екстрагуючий (витягую­чий) носії заряду з бази, називають колектором (С), а перехід П2 — колекторним. База є електродом, що керує струмом через транзистор, оскільки, змінюючи напругу між базою та емітером, можна керувати густиною струму інжекції, а отже, і екстракції.

Залежно від матеріалу, застосовуваного для виготовлення транзис­торів, розрізняють германієві та кремнієві транзистори, а залежно від технології виготовлення — сплавні, вирощувані, дифузійні, епітаксійні та планарні. У виробництві дискретних транзисторів звичай­но застосовується епітаксійно-планарна та мезапланарна техноло­гії, а у виробництві транзисторів інтегральних мікросхем — епітак­сійно-планарна.

Класифікаційні ознаки транзисторів за потужністю та частотним діапазоном відображені в третьому елементі їх позначення, що зобра­жує тризначний номер. Перший елемент позначення (цифра або бук­ва) вказує на вихідний матеріал напівпровідника: 1 або Г — германій, 2 або К — кремній. Другим елементом позначення для всіх транзис­торів є буква Т, за винятком польових, що позначаються буквою П. Четвертий елемент позначення (буква) вказує на різновидність тран­зистора даного типу. Наприклад, ГТ905А — германієвий потужний високочастотний транзистор, різновидність типу А.

Якщо емітерний перехід зміщений напругою u_e в прямому напря­мі, а колекторний перехід напругою U_c—в зворотному (рис.), то ввімкнення транзистора називають нормальним. Змінивши по­лярність напруг u_e та U_c , одержуємо інверсне ввімкнення.

Фізичні процеси в транзисторі. Основні процеси, що відбуваються в біполярному транзисторі, розглянемо на прикладі транзистора р-п-р-типу за однією з можливих схем його вмикання (рис.).

При відсутності зовнішніх напруг (u_e = U_c = 0) поля в р-п-переходах створюються лише об'ємними зарядами іонів, і усталені потенціальні бар'єри обох переходів j_КЕ = j_КК = j_К , що показані на графіку розподілу електростатичного потенціалу (рис.) штриховими лініями, підтримують динамічну рівновагу, а струми через переходи відсутні. При цьому в найбільш поширених бездрейфових транзисторах, що мають рівномірну концентрацію домішки в ба­зі, електричне поле в останній відсутнє, і j_К= const. по всій товщині бази W_б .

При наявності U_Е та U_С, що визначаються відповідно джерела­ми е_е та Е_с , відбувається перерозподіл електричних потенціалів переходів (суцільна лінія, рис.). При вказаній на рис.полярності джерел зміщення (нормаль­не ввімкнення) створюються умови для інжектування дірок з емітера в базу і переміщення електронів з бази в емітер. Оскільки концентрація електронів у ба­зі в багато разів менша, ніж концентра­ція дірок у шарі емітера, то зустрічний потік електронів значно менший. Тому при зустрічному переміщенні дірок та електронів відбувається лише їх частко­ва рекомбінація, а надлишок дірок уп­роваджується в базу, створюючи струм емітера I_E.

В результаті інжекції дірок у базу, де вони є неосновними носіями, в остан­ній виникає градієнт (перепад) концент­рації дірок, що приводить до їх дифу­зійного переміщення у всіх напрямах, в тому числі до колекторного р-n-переходу. Дрейф неосновних носіїв до колектора відіграє друго­рядну роль, оскільки Dj_K = 0. При переміщенні неосновних носіїв через базу їх концентрація зменшується внаслідок рекомбінації з електронами, що надходять в базове коло від джерела е_е . Потік цих електронів створює базовий струм I_B .

Оскільки зменшення концентрації неосновних носіїв dn за час dt пропорційне концентрації п, то з врахуванням коефіцієнта пропорцій­ності k можна записати

Після приведення одержаного виразу до вигляду dn/n = -kdt та його інтегрування маємо

де С — стала інтегрування.

В момент t = 0 концентрація неосновних носіїв дорівнює початко­вій концентрації n₀ і згідно з рівнянням С = n₀ . Запроваджуючи також k = 1/t, одержуємо

Величину t в рівнянні ( ) називають часом життя неосновних носіїв, що являє собою інтервал часу, протягом якого концентрація неосновних носіїв у базі зменшується в е раз. Оскільки товщина бази су­часних транзисторів становить одиниці мікрометрів, то середній час пробігу неосновних носіїв через базу значно менший за час їх життя. В цих умовах більша частина дірок досягає колекторного р-n-переходу і захоплюється його полем, рекомбінуючи з електронами, що надходять від джерела живлення Е_с . При цьому в колекторному колі протікає струм I_C, замикаючи загальне коло струму. Таким чином, для струмів транзистора справедливе співвідношення

Перенесення струму з емітерного кола в колекторне характеризу­ється коефіцієнтом передачі струму біполярного транзистора в схемі з загальною базою

який у сучасних транзисторах досягає значення 0,95...0,99 і біль­ше, не перевищуючи, однак, одиниці. Тому I_B»(0,05—0,01)I_E та I_C»(0,95—0,99)I_E . З врахуванням ( ) зв'язок між струмами транзистора визначається співвідношеннями

У формулах ( )-( ) I_E ,I_B ,I_C - амплітудні значення струмів.

Якщо напругу в колі емітера змінювати в часі за законом зміни вхідного сигналу U_BX, то за тим самим законом будуть змінюватися всі струми транзистора, а отже, і напруга на опорі R_C навантаження.

Таким чином, зміна струму вхідного кола викликає відповідну змі­ну струму у вихідному колі (див. ()). Оскільки емітерний р-п-перехід ввімкнений у прямому напрямі, а колекторний — у зворотно­му, вхідна напруга впливає на колекторний струм значно сильніше, ніж вихідна. На цій властивості і грунтується підсилювальна дія тран­зистора. Змінні складові струмів і напруг зв'язані такими співвідно­шеннями:

де R_ВХ — вхідний опір транзистора.

Хоча коефіцієнт передачі струму h_21B менший за одиницю, кое­фіцієнти підсилення за напругою К_nU за потужністю К_nP можуть досягати великих значень. Справа в тому, що при прямому ввімкненні емітерного переходу вхідний опір транзистора змінному струму ста­новить десятки ом, а опір колекторного переходу при зворотному ввімкненні досягає сотень кілоом. Тому вмикання у вихідне коло опору R_C у кілька десятків кілоом не змінює порядку загального опору колекторного кола. При цьому R_C>>R_BX . Тоді коефіцієнт підсилення за напругою

і коефіцієнт підсилення за потужністю

Принцип роботи транзистора п-р-n-типу і транзистора р-п-n-типу відрізняється тим, що напруги, прикладені до першого для його нормального вмикання, мають протилежну полярність і неосновними носіями зарядів в базі є вільні електрони. Теоретичний аналіз та аналітичні вирази ( )—( ) аналогічні для обох типів транзисторів.

Статичний режим роботи біполярних транзисторів. Як елемент електричного кола транзистор використовують звичайно таким чином, що один з його електродів є вхідним, а другий — вихідним. Третій електрод є загальним відносно входу і виходу. В коло вхідного елек­трода вмикають джерело вхідного сигналу, а в коло вихідного — опір навантаження. В залежності від того, який електрод є загальним, роз­різняють три схеми вмикання транзисторів: із загальною базою (ЗБ), загальним емітером (ЗЕ) і загальним колектором (ЗК) (рис.). При цьому кожна схема характеризується двома сім'ями статичних. характеристик, які визначають співвідношення між струмами в колах електродів транзисторів і напругами, що прикладені до цих електро­дів. Такими характеристиками є:

вхідні І_ВХ=j(U_BX)_{U(BИX)=const} та вихідні І_ВИХ=j(U_BИX)_І(BX)=const .

Схема ЗБ, загальним електродом якої для вхідного і вихідного кіл є база транзистора (рис.), використовується для підсилення на­пруги і потужності. Однак ця схема не підсилює струму, оскільки вхід­ним струмом є струм емітера І_Е, А вихідним — струм колектора І_С і згідно з виразом ( ) І_С=І_Е-І_В<I_E . зв'язок між вхідним і вихідним струмами визначається рівнянням ( ).

При розімкнутому колі емітера (I_E = 0) в колі колектор-база про­тікає тепловий некерований струм колекторного р-n-переходу, змі­щеного в зворотному напрямі. Його називають зворотним струмом колектора I_C0 Тому повний вираз для струму колектора з урахуван­ням рівняння ( ) має вигляд

У схемі ЗЕ, яка застосовується найбільш часто, вхідним є струм ба­зи, вихідним — струм колектора, а емітер є загальним електродом для вхідного і вихідного кіл транзистора (рис.). Як і для схеми ЗБ, коефіцієнт передачі струму в схемі ЗЕ (коефіцієнт передачі струму бази) визначається відношенням вихідного струму до вхідного:

Підставивши в формулу ( ) значення струму бази I_B=I_E-I_C і розділивши чисельник та знаменник на I_E , одержимо

При зміні h_21B від 0,95 до 0,99 коефіцієнт h_21E змінюється в ме­жах 20-100. Отже, схема ЗЕ дає значне підсилення за струмом. Оскільки ця схема дає також підсилення напруги, то підсилення по­тужності даної схеми значно більше, ніж у схемі ЗБ.

Підставивши в формулу ( ) значення струму емітера I_E=I_C+I_B , для струму колектора одержимо

Другий член у правій частині рівняння ( ) являє собою нас­крізний тепловий струм колектора I^*_C0 при розімкнутому колі бази (I_B=0) аналогічно струму I_со У схемі ЗБ при I_E= 0, тобто

Загальний струм колектора з урахування ( ) та ( ) визнача­ється з виразу ( ):

Сім'я вхідних характеристик транзистора для схеми ЗЕ I_B=j(U_BE)_U(CE)=const показана на рис.. При U_CE=0 вольт-ам­перна характеристика аналогічна прямій вітці характеристики діода. Зі збільшенням напруги на базі базовий струм експоненціальне збіль­шується, переходячи в лінійну залежність при порівняно невеликому струмі бази.

Вихідні характеристики транзистора для схеми ЗЕ відображують залежність I_C=j(U_CE)_I(B)=const (рис.) і описуються співвід­ношенням ( ). При малих напругах на колекторі 0,2—0,3 В струм колектора не залежить від струму бази, а характеристики зливаються в одну лінію (область насичення). При I_B=0 I_C=I^*_CO . Зі збільшенням вхідного струму бази згідно з рівнянням ( ) збільшується струм колектора, тому при I_B>0 криві зміщуються вверх від характеристики I^*_C0 . Як видно з графіка, струм I_C при u_ce >0,2—0,3 В слабо зростає з підвищенням напруги u_ce . Це свідчить про дифузійний характер переміщення неосновних носіїв заряду через базу, що не залежить від електричного поля колекто­ра. При u_ce = u_ce(br) відбувається пробій колекторного переходу і колекторний струм різко зростає. Такий режим роботи транзистора є неприпустимим.

У схемі ЗК транзистора (див. рис.) вхідним струмом, як і для схеми з ЗЕ, є струм бази I_B а вихідним — струм емітера I_E . Ко­ефіцієнт передачі струму в цій схемі

дещо більший ніж у схемі ЗЕ. Схема ЗК підсилює також потужність Оскільки I_E»I_C для графічного аналізу схеми ЗК використовують сім'ї статичних характеристик схеми ЗЕ.

Біполярний транзистор в динамічному режимі. В практичних при­строях промислової електроніки найбільшого поширення набула схе­ма ЗЕ, що має найбільше підсилення потужності. При цьому в коло вихідного електрода транзистора вмикається опір навантаження R_C , а в коло вхідного електрода — джерело вхідного сигналу з електрорушійною силою e_Д ( ). Лише при наявності опору наванта­ження можливий процес підсилення напруги і потужності вхідного сигналу.

В схемі на рис. зміни колекторного струму транзистора за­лежать не лише від змін базового струму, а й від змін напруги на ко­лекторі

яка, в свою чергу, визначається змінами як базового, так і колектор­ного струмів. Таким чином, одночасно змінюються всі струми і напру­ги в транзисторі. Такий режим роботи транзистора називають дина­мічним, а характеристики, що визначають зв'язок між струмами і на­пругами транзистора при наявності опору навантаження, динаміч­ними характеристиками.

Динамічні характеристики будують на сім'ї статичних характе­ристик за заданими значеннями напруги джерела живлення колекторного кола e_c та опору навантаження R_С. Для побудови вихідної динамічної характеристики (рис.) використовують рівняння динамічного режиму (), яке являє собою рівняння прямої, оскіль­ки при змінній величині I_с стоїть сталий коефіцієнт, що дорівнює чи­сельно R_С. Тому достатньо знайти відрізки, що відсікаються прямою на осях координатної системи (I_C,U_CE).

Якщо I_C = 0, то u_ce = e_c і при u_ce = 0 I_C = E_C/R_C . Відклавши на відповідних осях напругу, що дорівнює Е_C , і струм, що дорів­нює E_C/R_C, через одержані точки проводять пряму AG, яку назива­ють лінією навантаження. Вихідна динамічна характеристика є гео­метричним місцем точок перетину лінії навантаження зі статичними характеристиками. Використовуючи динамічну колекторну харак­теристику, можна для будь-якого значення колекторного струму знай­ти відповідні значення напруги на колекторі та струму у вхідному ко­лі I_B. Лінію навантаження можна побудувати також, якщо з точки G провести пряму лінію під кутом y = arctg R_C .

Для визначення напруги на базі транзистора u_be (вхідної напру­ги) будують вхідну динамічну характеристику простим перенесенням точок I_B, u_ce з вихідної динамічної характеристики на сім'ю статич­них вхідних характеристик (рис.). Значення відповідних базо­вих напруг визначаються абсцисами цих точок (на рис. в зображе­но лише ділянки C'D' вхідної динамічної характеристики).

Точку перетину лінії навантаження зі статичною характеристи­кою при заданому струмі І_В2=І_0В , що визначається джерелом змі­щення Е_В , називають робочою точкою, а її початкове положення на лінії навантаження (за відсутності вхідного змінного сигналу) — точ­кою спокою р. Точка спокою визначає струм спокою вихідного кола І_0С та напругу спокою U_ОС . При цьому рівняння динамічного ре­жиму має вигляд

Місцезнаходження точки спокою визначається призначенням схе­ми, в якій використовується транзистор, значенням та формою вхідно­го сигналу і т. д. Якщо, наприклад, вхідний сигнал симетричний (на рис. показаний такий сигнал синусоїдальної форми) з амплітудою вхідної напруги U_Bm та амплітудою вхідного струму I_bm , то точку спокою р вибирають приблизно посередині лінії навантаження. При цьому в колекторному колі протікає струм з амплітудою I_cm , а на ко­лекторі виділяється напруга з амплітудою U_cm.

Якщо в вихідне коло транзистора ввімкнути зовнішнє навантажен­ня (на рис. це коло показане пунктирною лінією), то, оче­видно, що загальним опором колекторного навантаження змінному струмові буде опір R’_H=R_CR_H/(R_C+R_H), і динамічну характеристи­ку змінного струму слід провести через точку спокою під кутом y’=arctgR’_H (пунктирна лінія на рис.).

Режим роботи транзистора, за якого робоча точка не виходить за межі ділянки BF лінії навантаження, називають лінійним, або підсилювальним режимом. При цьому зі зміною вхідного (базового) струму пропорційно змінюється вихідний (колекторний) струм.

Біполярні транзистори широко використовують у пристроях під­силення, генерації та перетворення електричних сигналів як безпе­рервної, так і імпульсної дії. Вони є також основою інтегральних мік­росхем.