Биполярный транзистор

Введение

От лампы к транзистору

Принцип действия

Усилительные свойства транзистора

Основные характеристики

Эффект Эрли

Схема включения транзистора с общей базой

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения транзистора с общим коллектором

h-параметры

Эквивалентная схема

Применение транзистора


Введение

Биполярными транзисторами называются полупроводниковые приборы с двумя очень близко расположенными и взаимодействующими p-n переходами, включенными встречно. В простейшем случае транзистор представляет собой кристалл полупроводника, в котором имеются две сильно легированные области с одноименной проводимостью (эмиттер и коллектор), разделенные узкой областью с противоположной проводимостью (базой).

В зависимости от последовательности чередования областей проводимости, различают прямые (p-n-p) и обратные (n-p-n) транзисторы.

Прямой (p-n-p) транзистор

Обратный (n-p-n) транзистор


Принцип действия биполярного транзистора

Схема включения транзистора с общим эмиттером

Работа биполярного транзистора n-p-n типа (схема с общим эмиттером) происходит следующим образом. Между верхней и нижней областями прикладывается напряжение Ek. При этом вне зависимости от его полярности ток протекать не будет, так как транзистор представляет собой как бы два включенных навстречу друг другу диода, один из которых всегда оказывается включенным в запирающем направлении.

Для того, чтобы через транзистор протекал ток, нужно: или открыть запертый n-p переход, или в верхней n-области создать вблизи перехода избыток дырок, или в средней p-области создать избыток электронов, которые также беспрепятственно смогут преодолевать запертый p-n переход. Последнее сделать относительно просто. Для этого надо на нижнй p-n переход подать напряжение в прямой полярности, нейтрализовав его запирающее действие. При этом электроны, имеющиеся в нижней n-области, начнут диффундировать в p-область. Если ширина средней p-области мала, то электроны, не успев пекомбинировать с дырками, приблизятся к верхнему p-n переходу и, будучи захвачены его ускоряющим полем, перейдут в верхнюю n-область.

Таким образом, протекание тока через транзистор происходит так: нижняя область с n-проводимостью (эмиттер) эммитирует электроны в среднюю область (базу), откуда они собираются полем верхней области (коллектором).

Переход электронов из эмиттера в базу нарушает электричекое равновесие, вследствие чего возникают силы, стремящиеся его восстановить. Это приводит к тому, что из внешней цепи взамен ушедших в базу электронов в эмиттерную область вводятся электроны. Для нейтрализации объемного заряда, создаваемого избыточными электронами в базовой области, в нее из вшенешней батареи вводятся дырки. В базовой области одновременно имеются в большом количестве электроны и дырки, которые могут рекомбинировать. Для уменьшения рекомбинации толщина базовой области выполняется обычно не более [image] см, в результате чего в базе рекомбинирует примерно 1-2 % электронов, а остальные собираются коллектором.

При достаточно большом напряжении на коллекторе величина тока в его цепи определяется концентрацией электронов в области базы, которая зависит от концетрации электронов проводимости в эмиттерной области и степени нейтрлизации электрического перехода эмиттер-база., осуществляемой за счет напряжения базовой батареи. Если напряжение этой батареи равно нулю, то тормозящее поле перехода максимально и в область базы входит очень мало электронов, вследствие чего и ток коллектора мал. Если напряжение базовой батареи достаточно велико, то запирающее поле эмиттерного перехода полностью скомпенсировано, концентрации электронов в эмиттерной и базовой областях практически равны и ток коллектора достигает максимального значения. При этом базовый ток также максимален, так как чем больше концентрация электронов в базовой области, тем большее число их рекомбинирует с дырками и тем больший ток должен отбираться от базовой батареи для восполнения рекомбинирующих дырок. Однако обычно базовый ток во много раз меньше коллекторного.


Основные характеристики биполярного транзистора

Основными характеристиками транзистора являются коэффициент передачи тока и коэффициент усиления.

Коэффициент передачи тока есть отношение величины коллекторного тока к эмиттерному:

Поскольку ширину базы транзистора делают достаточно малой, то рекомбинирующих в ней носителей не много, и коэффициент передачи стремится к 1.

Коэффициент усиления транзистора по току:

У современных транзисторов [image], вследствие чего коэффициент усиления по току может доходить до нескольких сотен.

Работа транзистора p-n-p типа отличается от работы транзистора n-p-n типа только тем, что процесс переноса электрического тока осуществляется дырками, и поскольку меняется знак носителей тока, то меняется и полярность питающего напряжения.

Усилительные свойства транзистора отображают с помощью семейства вольт-амперных характеристик. Наибольший интерес представляет входная и выходная характеристики транзистора. Под входной характеристикой понимается зависимость величины входного тока, потребляемого от источника сигнала или батареи смещения, от величины входного напряжения при постоянном напряжении на коллекторе: IВХ = F1(UВХ) при UКЭ = const.

Выходная характеристика – зависимость тока коллектора IК от величины напряжения на коллекторе UК при постоянном входном токе: IК = F2(UК) при IВХ = const.

Входные характеристики биполярного транзистора

На рисунке приводится входная статическая характеристика германиевого транзистора для двух значений коллекторного напряжения UКЭ = 0 В и UКЭ = 2,5 В.

Увеличение напряжения на коллекторе свыше некоторого предела (в данном случае 2,5 В) приводит к очень незначительному смещению входной характеристики вправо, с котораым практически можно не считаться, и для всех напряжений, больших 2,5 В, можно пользоваться одной характеристикой, снятой при UКЭ = 2,5 В. Зависимость входного тока от входного наряжения в статическом режиме достаточно точно описывается следующим уравнением: IВХ = A0 exp(B0 UВХ), где A0 и B0 некоторые постоянные. На рисунке изображено семейство выходных характеристик этого же транзистора.

Выходные характеристики биполярного транзистора

Описание свойств транзистора с помощью входных и выходных статических характеристик не является достаточно полным. Статические характеристики снимаются при сравнительно медленных изменениях напряжений и токов на электродах, поэтому частотная зависимость параметров, вызываемая конечной скоростью перемещения носителей зарядов в транзисторе, не проявляется. Для более полного описания электрических свойств транзисторов применяются методы, основанные на представлении транзистора в виде электрической модели (эквивалентного четырехполюсника).

При повышении частоты рабочего сигнала изменяются все основные параметры транзисторов и в первую очередь коэффициент усиления, который с повышением частоты уменьшается до нуля. Это объясняется сравнительно небольшой скоростью движения носителей заряда и влиянием емкостей эмиттерного и коллекторного переходов.

Параметры транзисторов сильно зависят от температуры окружающей среды. Поэтому все транзисторные схемы нуждаются в специальной стабилизации: температурной (термостатирование) или электрической (путем стабилизации рабочего режима). Если это не сделано, то возможно нарушение работы радиоэлектронной аппаратуры при изменениях температуры или даже выход ее из строя.


Эффект Эрли (модуляция ширины базы)

Эмиттер и коллектор в биполярном транзисторе легированы значительно сильнее, чем база. В следствие этого практически вся область пространственного заряда сосредоточена в базовой p-области. Увеличение положительного напряжения на коллекторе расширяет обедненный слой коллекторного перехода и, следовательно, вызывает уменьшение эффективной толщины базы. Модуляция толщины базы объясняет некоторый подъем выходных характеристик при увеличении положительного напряжения коллектор-база. Коллекторный ток при этом увеличивается, так как меньшая часть дырок теряется в базе не пути от эмиттера к колектору вследствие рекомбинации с электронами.

Эффект Эрли: обедненные слои в транзисторе и потенциальная диаграмма


Схема включения транзистора с общей базой

Схема включения биполярного транзистора с общей базой

При включении транзистора в схеме с общей базой входным является ток эмиттера, а выходным – коллектора. Коэффициент передачи тока в этом случае определяется формулой:

,

где Inк, Ipк, Inэ, Ipэ есть значения электронных и дырочных токов коллектора и эмиттера транзистора.

Семейство входных статических характеристик, то есть зависимость Iэ от Uэб при фиксированных значениях Uкб описывается выражением:

Входная характеристика биполярного транзистора в схеме с общей базой при Uкб = 0

Семейство выходных характеристик (зависимость Iк от Uкб) описывается формулой:

При Iэ = 0 выходная характеристика подобна характеристике обратносмещенного p-n перехода:

Выходная характеристика биполярного транзистора в схеме с общей базой при Iэ = 0


Схема включения транзистора с общим эмиттером

Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером

На практике довольно часто используют транзисторы, включенные по схеме с общим эмиттером. В этой схеме входным является ток базы, а выходным ток коллектора. Коэффициент передачи тока в этом случае можно записать в виде:

Из первого правила Киргофа (алгебраическая сумма сил токов в участках цепи, сходящихся в любой точке разветвления, равна нулю) следует, что

Подставляя значение тока базы в формулу для передачи тока, получим:

Поскольку [image], очевидно, что коэффициент передачи тока в схеме с общим эмиттером должен быть значительно больше коэффициента передачи тока в схеме с общей базой, поэтому схему включения транзистора с общим эмиттером часто применяют в качестве усилительной.

Исходя из соотношений 3) и 5), можно записать:

Для получения входной характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером (зависимость Iб от Uбэ) воспользуемя формулой 7) и для простоты положим, что Iкб=0 (Uкб=0). Тогда, поскольку

 (Iб пропорционален Iэ), входная характеристика в схеме с общим эмиттером будет походить на входную характеристику в схеме с общей базой.

Выходная характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером представляются в виде:

Выходная характеристика биполярного транзистора в схеме с общей базой при Iб=0

На кривой линейный участок с плавным ростом соответствует модуляции ширины базы и, как следствие, изменению коэффициента передачи тока эмиттера. Если бы модуляции не было, участок был бы горизонтальным, что соответствовало бы режиму насыщения транзистора.


Схема включения транзистора с общим коллектором

В этой схеме включения также, как в предыдущем случае управляющим (или входным) является ток базы, но роль выходного играет ток эмиттера:

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором

Входной ток в этом случае не зависит от входного напряжения. Выходные характеристики такие же, как и при включении транзистора в схеме с общим эмиттером.


Эквивалентная схема биполярного транзистора

Эквивалентная схема биполярного транзистора (включение с общей базой)

Соединенные параллельно друг с другом RC-пары (активное сопротивление плюс диффузионная емкость) являются эквивалентными схемами соответствующих p-n переходов. Так как токи эмиттера, коллектора и базы имеют общую точку, то и на эквивалентной схеме RC-пары имеют общую точку пересечения. Усилительные свойства транзистора учтены в схеме подключением генератора, параллельно Rк, который задает ток в цепи коллектора. Омическое сопротивление базы учтено резистором Rбо, а емкости эмиттерного и коллекторного переходов соответственно элементами Cэ и Cк.

Гибридная П-образная эквивалентная схема биполярного транзистора (включение с общим эмиттером) – схема Джиаколетто.

Включение транзистора по схеме с общим эмиттером описывается схемой Джиаколетто. В ней имеются две базовые точки: точка Б, соответствующая внешнему выводу базы и воображаемая точка Б1, находящаяся внутри объемной области базы. Базовый ток течет в основном поперек базы, имеющей в этом направлении очень малое сечение из-за ее малой толщины. Распределенное сопротивление базовому току внутри базовой области называется сопротивлением базы Rб1б. Оно зависит от удельного сопротивления материала, образующего базу. Сопротивление Rб1э и емкость Cэ характеризуют эмиттерных переход, а сопротивление Rб1к и емкость Cк – коллекторный. Сопротивление Rкэ называется сопротивлением внешней утечки между коллектором и эмиттером.

Генератор тока, показанный на схеме связывает выходной ток с напряжением на эмиттерном переходе.


Применение биполярного транзистора

Применение биполярных транзисторов повсеместно. Их используют в в качестве электронных ключей, в генераторах, усилителях, стабилизаторах. Также они могут применятся в качестве логических элементов в вычислительной технике (особенно это было раньше, до изобретения интегральных схем, когда вся логика была на тразисторах).


Усилительные свойства биполярного транзистора

За счет того, что напряжение, необходимое для отпирания транзистора – это напряжение компенсации запирающего действия нижнего p-n перехода мало по сравнению с напряжением между эмиттером и коллектором, а также ток, необходимый для поддержания открытого состояния мал по сравнению с током в цепи эмиттер-коллектор, транзистор может быть использован в качестве усилительного элемента.


h-параметры

В любой схеме включения транзистора, например в схеме с общей базой или с общим эмиттером, транзистор характеризуется входными, а также выходными напряжением и током:

Задав, например, напряжения на входе и выходе, можно получить вполне определенные входной и выходной токи. Следовательно, из названных четырех величин независимыми являются только две.

В качестве независимых величин для транзистора удобно взять входной ток I1 и выходное напряжение U2. Тогда входное напряжение U1 является некоторой функцией двух независимых переменных I1 и U2:

U1=F1(I1,U2)

Для схемы с общим эмиттером U1 – напряжение между базой и эмиттером транзистора, I1 – ток базы; U2 – напряжение между коллектором и эмиттером. При малых изменениях токов и напряжений приращение входного напряжения:

Обозначим

Роль малых приращений могут играть малые переменные токи и напряжения. Таким образом, для малых сигналов:

,

где U1 – переменное напряжение на входе; I1 – переменный ток на входе; U2 – переменное напряжение на выходе.

Аналогично считая, что выходной ток I2 является функцие входного тока I1 и выходного напряжения U2, получаем:

I2 = F2(I1,U2)

и

Для малых сигналов

где

Параметр h11 является входным сопротивлением транзистора при его короткозамкнутом выходе для переменного тока. Параметр h12 предсттавляет собой коэффициент обратной связи по переменному напряжению. Параметр h21 является коэффициентом передачи тока при короткозамкнутом для переменного тока выходе. Наконец, парметр h22 равен выходной проводимости транзистора при разомкнутом для переменного тока входе.

Эквивалентная схема транзистора с h-параметрами


От лампы к транзистору

До изобретения транзистора в радиотехнике в качестве усилительных приборов широко использовались трехэлектродные лампы – триоды. Управляющим элементом в лампах была сетка, которая своим электрическим полем могла замедлять (или ускорять) электроны, испущенные катодом. Таким образом, в лампах напряжение на сетке управляло напряжением на аноде. Лампы были очень громоздкими и потребляли большую мощность (так как для испускания электронов катодом требовался его нагрев) и имели сравнительно короткий срок службы (испарение катода). Поэтому в 1948 году, после изобретения транзисторов, они почти повсеместно были ими вытеснены. Транзисторы были гораздо миниатюрнее ламп, им требовался очень низкий ток для эмиттирования электронов, и служили они гораздо дольше. Транзисторы совершили переворот в мире радиоэлектроники.