Главная | Обратная связь

Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода, которые образованы между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n- типов.

Средняя область называется базой (Б). Переход, к которому приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующую наружную область – эмиттером (Э). Другой переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующую наружную область – коллектором (К).

 

Ge n Б Э n p

p p

 

Э K n

 

I_n I_n K

а) б)

 

Б

Рис. 7

При изготовлении транзистора методом вплавления (рис.7а), базой его служит пластинка германия или кремния, например n-типа, на которую с двух сторон наплавляют капли акцепторной примеси, например индия.

В приграничных слоях между германием и индием образуются p-области, представляющие эмиттер и коллектор, расстояние между которыми (толщина базы) очень маленькое.

Кроме того, концентрация атомов примеси в области базы должна быть во много раз ниже, чем в области эмиттера. Это условие очень важно для работы транзистора.

Более совершенным является диффузионный метод изготовления транзисторов, при котором в пластинке кремния n-типа (рис.7б) с помощью фотолитографии формируют базовую и эмиттерную области, коллектором в такой n-p-n-структуре служит исходная пластинка кремния n-типа.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере p-n-p- структуры. Между базой и эмиттером к транзистору подают прямое напряжение U_бэ, для которого эмиттерный переход открыт и, следовательно, под действием напряжения в доли вольта через него потечет значительный прямой ток эмиттера I_э.

 

Э Б К Э Б К

p n p p n p

 

I_э I_к I_к

I_э

 

+ _ _ +

 

U_бэ I _б + U_бк U_бэ I_б U_бк

_ + _

 

Э К Э К

 

 

Б

а) Б б)

Рис. 8

В транзисторах концентрация носителей в базе во много раз ниже, чем в эмиттере, поэтому ток I_э создается в основном дырками, инжектированными эмиттером в базу.

Введенные в базу дырки пытаются рекомбинировать со свободными электронами базы, но так как последних мало, а область базы узкая, подавляющее большинство дырок успевает пройти через базу и достигнуть коллекторного p-n-перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Небольшая же часть рекомбинированных дырок создает ток базы I_б (рис.8а).

Пройдя к коллектору, дырки начинают испытывать ускоряющее действие p-n-перехода коллектора. Это поле для дырок является ускоряющим, и они вытягиваются из базы в коллектор, “собираются им”, создавая ток коллектора I_к.

Учитывая небольшой процент дырок, рекомбинирующих с электронами в базе, можно считать, что , где =0,95 ¸ 0.99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Так как напряжение U_бк является обратным, оно в десятки раз может превышать напряжение U_бэ, которое, будучи прямым, является входным для транзистора и определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода. Входной ток транзистора I_э и его выходной ток I_к примерно равны. Поэтому мощность на выходе схемы U_бк·I_к может оказаться намного больше, чем затрачиваемая во входной цепи U_бэ·I_э. Это положение определяет усилительные свойства транзистора.

Принцип действия транзистора n-p-n-типа отличается только тем что носителями зарядов в нем служат не дырки, а свободные электроны (рис.8б).

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение U_бэ и измерим выходной ток I_к как функцию выходного напряжения U_кэ.

 

I_к >0

I_б>0

+ +

U_бэ U_кэ

_ I_э _

 

Путем ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис.9а).

 

I_к mA U_бэ=700mВ I_к mA

30 ΔI_кэ 30

ΔU_кэ U_кэ=const

 

U_бэ=680mВ

15 15

U_бэ=640mВ

 

U_бэ=620mВ

5 10 U_кэ,В 0,2 0,4 0,6 U_бэ,В

 

а) б)

Рис. 9

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения U_кэ– определенного значения. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения. Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на проходной характеристике, изображенной на рис.9б, которая представляет собой зависимость I_к от U_бэ. Проходная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции , где I_s – обратный ток коллектора. Изменение коллекторного тока I_к в зависимости от U_бэ характеризуется крутизной S:

, при U_кэ=const. Эту величину можно рассчитать, используя теоретическую зависимость I_к(U_бэ): . Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора, поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения U_кэ характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением , при U_бэ=const. С высокой точностью сопротивление r_кэ обратно пропорционально I_к, т.е. - где коэффициент пропорциональности. U_у называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив r_кэ. Типовое значение U_у находится в пределах 80÷200 В для n-p-n-транзисторов и 40÷150 В для p-n-p- транзисторов.

Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление , при U_кэ = const. Его можно определить по входной характеристике I_б = f(U_бэ) (рис.10).

I_б μА

ΔI_б

 

50 ΔU_бэ

 

 

U_бэ, В

0,3 0,6

Рис.10

Эта характеристика, как и проходная характеристика, описывается экспоненциальной функцией.

Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как β зависит от I_к.

Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением при U_кэ= const. Зная β и крутизну можно рассчитать входное сопротивление r_бэ: . При малых сигналах транзисторы характеризуются коэффициентом обратной передачи по напряжению: при I_б=const.Абсолютное значение его не превышает 10^-4. Поэтому, влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать.