Биполярные транзисторы
Транзисторами называются полупроводниковые приборы, способные усиливать электрическую мощность, имеющие три или более выводов, один или более p-n переходов. Они предназначены для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В зависимости от того, носители одного или обоих типов участвуют в образовании тока, различают униполярные и биполярные транзисторы соответственно.
1.4.1 Устройство биполярного транзистора
Биполярный транзистор – это полупроводниковый триод с двумя взаимодействующими p-n переходами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда. Биполярными они называются, так как играют роль оба типа носителей: электроны и дырки.
Транзистор имеет три слоя, соответственно три электрода и два p-n перехода (см. рисунок 1.10). Площадь между n1-p намного меньше, чем между p-n2. Структура транзистора несимметрична. Слой, сильно легированный с меньшей площадью, служащий для инжекции носителей в базу, называется эмиттером (Э). Слой с большей площадью, служащий для экстракции носителей из базы и собирающий эти носители, называется коллектором (К). Средний слой, управляющий движением носителей от эмиттера к коллектору, называется базой (Б).
Через базу осуществляется также связь двух p-n переходов, которые называются соответственно эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП) переходами. Взаимодействие переходов обеспечивается очень малой толщиной базы между переходами (несколько десятков микрометров). В любом случае она должна быть намного меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. Кроме того, электропроводность базы должна быть значительно меньше электропроводности эмиттера.
Транзисторы с однородной базой называются бездрейфовыми, с неоднородной – дрейфовыми. В зависимости от последовательности расположения типов слоев полупроводника различают транзисторы n-p-n- (см. рисунок 1.11,а) и p-n-p (см. рисунок 1.11,б)- типов.
Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n-типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p-типа – дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники питания обратной полярности. В микросхемах главным образом используются n-p-n-транзисторы, а p-n-p-типа – используется в сочетании с n-p-n и пара называется комплементарной, в дискретном исполнении – в основном p-n-p-типа.
1.4.2 Режимы работы биполярного транзистора
В зависимости от напряжения смещения переходов различают три режима включения: активный, отсечки и насыщения.
В активном режиме один из переходов смещен в прямом направлении, второй – в обратном. Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, то такой режим называется нормальным активным или усилительным. В инверсном активном режиме ЭП смещен в обратном направлении, а КП – в прямом.
В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. В этом случае токи во внешних цепях малы и соизмеримы с обратным током одного из переходов. Или, другими словами, транзистор заперт.
В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, т.е. открыты. В базу инжектируют неосновные носители из области эмиттера и из области коллектора (режим двойной инжекции). Так как оба перехода открыты, то на структуре падает небольшое напряжение.
Необходимо отметить, что в активном режиме управление транзистором осуществляется в полной мере, и он исполняет роль активного элемента. В режимах отсечки и насыщения усиление практически отсутствует.
1.4.3 Принцип действия транзистора в активном усилительном режиме
Физические процессы в транзисторной структуре определяются состоянием эмиттерного и коллекторного переходов. В активном нормальном режиме при подключении к электродам транзистора напряжений ЕэбиЕкб, как показано на рисунке 1.12, эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.
В результате снижения потен-циального барьера электроны из области эмиттера диффундируют через эмиттерный переход в область базы (инжекция электронов), а дырки – из базы в область эмиттера. Однако, поскольку удельное сопротивление базы высокое, электронный поток носителей заряда преобладает над дырочным, то есть в базе повышается концентрация электронов.
Коллекторный переход смещен в обратном направлении, за счет этого усиливается экстракция электронов из базы в коллектор, то есть в базе на границе с коллектором уменьшается концентрация электронов.
В базе создается градиент концентраций электронов, поэтому электроны диффундируют от ЭП к КП.
Большинство электронов, инжектированных в базу, не успевают рекомбинировать в ней с дырками. Рекомбинирует только небольшая часть электронов (примерно 1%) . Остальные 99% электронов идут к коллектору, попадают в ускоренное поле коллекторного перехода и втягиваются в коллектор (экстракция электронов). Для нейтральности базы из нее во внешнюю цепь по выводу уходит часть электронов, равная рекомбинировавшей, которая и создает ток базы.
Таким образом, ток эмиттерного перехода несколько больше тока коллекторного перехода. Коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора 
. Для реальных структур 
.
Сопротивление эмиттерного перехода мало (сотни омов), а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни килоом. Допустим, в коллекторную цепь последовательно включено сопротивление нагрузки 
, оно не повлияет на режим работы транзистора, но на сопротивлении можно снять большое напряжение.
Включение в цепь эмиттера источника переменного сигнала Ес вызывает изменение числа инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора в такт с Ес. На нагрузке 
будет выделяться усиленное напряжение с частотой, равной частоте входного сигнала, но при этом напряжение выходного сигнала намного больше входного сигнала Ес. Таким вот образом происходит усиление сигнала.
1.4.4 Токи в транзисторе
По первому закону Кирхгофа для транзистора (см. рисунок 1.13) ток эмиттера равен сумме тока базы и тока коллектора
где 
– ток эмиттера;
– ток базы. Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера;
– тепловой ток коллекторного перехода.
Ток коллектора равен 
, где 
.
Отсюда 
.
Таким образом, в схемах с транзистором имеются две цепи: входная, в которую включается источник усиливаемых колебаний, и выходная, в которую включается нагрузочное сопротивление. Ток эмиттера 
здесь является управляющим током, ток коллектора 
– управляемым, а ток базы 
– их разностью.
1.4.5 Модуляция толщины базы
Модуляция толщины базы w представляет собой зависимость толщины базы w от напряжения на коллекторе 
.
Так как ширина эмиттерного перехода мала, изменения 
не влияют на ее значение. Коллекторный же переход из-за обратного смещения большой и сосредоточен в базе. При изменении 
изменяется ширина коллекторного перехода и, следовательно, толщина базы w тоже.
1.4.6 Схемы включения транзисторов
В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между источником сигнала на входе и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой (ОБ, см.рисунок 1.14,а), с общим эмиттером (ОЭ,см. рисунок 1.14,б), с общим коллектором (ОК, см.рисунок 1.14,в).
1.4.6.1 Основные параметры транзистора по схеме с общей базой (см. рисунок 1.14,а):
а) коэффициент усиления по току 
Ток не усиливается, Iвых < I вх, что является недостатком схемы;
б) коэффициент усиления по напряжению 
Так как всегда можно подобрать 
, то 
>>1, усиление по напряжению в сотни раз;
в) коэффициент усиления по мощности 
- десятки – сотни;
г) входное сопротивление 
десятки и сотни омов, малое входное сопротивление является недостатком схемы, так как оно закорачивает источник сигнала, т.е. требуется большой входной ток;
д) выходное сопротивление 
от сотен килоом до единиц мегом;
е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.
Недостатки схемы включения с ОБ:
а) нет усиления по току (α < 1);
б) мало входное сопротивление Rвх;
в) большая разница между входным и выходным сопротивлениями, вследствие чего невозможно построение многокаскадной схемы с ОБ.
Достоинства:
а) высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности;
б) более высокие рабочие частоты, меньше частотные искажения;
в) меньше температурная нестабильность;
г) высокая линейность характеристик.
Схема с ОБ применяется в стабилизаторах тока и в схемах с более высокой рабочей частотой.
1.4.6.2 Основные параметры транзистора по схеме с общим эмиттером
Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ). При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (см. рисунок 1.14,б).
В схеме с общим эмиттером:
а) коэффициент усиления по току 
|Uкэ=const и равен нескольким десяткам и единицам сотен, Параметр β связан с коэффициентом
передачи тока эмиттера соотношением
;
б) коэффициент усиления по напряжению 
,
так как Rн>>Rвх, β>>1, то Ku>>1 (сотни);
в) коэффициент усиления по мощности 
- десятки тысяч;
г) входное сопротивление 
- сотни омов и единицы килоом. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером больше входного сопротивления схемы с общей базой;
д) выходное сопротивление 
десятки килом.
Таким образом, R вых оэ < R вых об, R вх оэ > R вх об;
е) фазовый сдвиг выходного напряжения φ =π.
Статические характеристики транзистора с общим эмиттером
Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость входного тока Iб от напряжения Uбэ, Iб =f(Uбэ) при заданном напряжении Uкэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (см. рисунок 1.15,а). При Uкэ =0 тепловой ток Iк0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость Iб =f(Uбэ) соответствует ВАХ р-n–перехода, включенного в прямом направлении. При Uкэ>0 в цепи коллектора появляется ток -Iк0, направленный навстречу току Iб. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток Iб= Iк0, приложив соответствующее напряжение Uбэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.
Выходной характеристикой транзистора по схеме с общим эмиттером называется зависимость Iк = f(Uкэ) при заданном токе Iб (см. рисунок 1.15,б). Если Iб=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция электронов из эмиттера в базу отсутствует. При Uкэ =0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжения Uбэ и Uкэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы, и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат:
а) кривая 
совпадает с обратной ветвью p-n перехода;
б) кривая при Iб = 0 соответствует режиму с оборванной базой. Через транзистор течет ток Iк0с – сквозной ток коллектора. Iк0С > Iк0, т.к. течет не только I к0, но и Iэр.
Определим ток коллектора для схемы с общим эмиттером. Для схемы с ОБ
Iк=aIэ+Iко=aIб+aIк+Iко; Iк(1-a)=aIб+Iко, отсюда
Iк= 
, ток коллектора Iк растет сильнее с увеличением температуры. Температурная стабильность хуже, чем в схеме с ОБ;
в) при увеличении Uкэ семейства и постоянном токе базы увеличивается Uэб, следовательно, увеличивается ток эмиттера Iэ и коллектора Iк.
Достоинства схемы с ОЭ:
а) схема универсальна, имеет усиление по току, напряжению и мощности;
б) малая разница входного и выходного сопротивлений, а также 
.
Недостатками схемы с ОЭ являются сильная зависимость параметров от температуры, хуже линейность характеристик и ниже рабочая частота.
Схема с ОЭ широко используется в усилителях, генераторах и других устройствах.
1.4.6.3 Основные параметры транзистора по схеме с общим коллектором
а) коэффициент усиления по току 
равен нескольким десяткам и единицам сотен;
б) коэффициент усиления по напряжению
, т.к. 
»0, то КU »1, т.е. усиление по напряжению отсутствует;
в) коэффициент усиления по мощности 
- десятки тысяч;
г) входное сопротивление 
- сотни килоомов;
д) выходное сопротивление 
сотни омов;
е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.
Достоинствами схемы являются:
а) больший динамический диапазон;
б) большое входное сопротивление 
;
в) большой коэффициент усиления по току.
Недостаток – отсутствие усиления по напряжению Кu » 1.
Используется как согласующий каскад схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением.
1.4.7 Зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты
Транзистор имеет инерционные свойства, так как время пролета носителей в базе конечно. На низких частотах, когда время пролёта носителей в базе меньше периода повторения сигнала, распределение концентрации электронов в базе равномерно уменьшается от эмиттера к коллектору.
На высоких частотах распределение концентрации электронов изменяется и идет диффузия носителей не только к коллектору, но и в обратную сторону, т.е. к эмиттеру. Коэффициент передачи тока уменьшается. Частота 
, при которой коэффициент передачи тока a уменьшается в 
раз (3 дБ) по сравнению с 
на низких частотах, называется граничной усиления (см. рисунок 1.16).
1.4.8 Дрейфовый транзистор
Дрейфовым называется биполярный транзистор, перенос неосновных носителей заряда в базе у которых происходит в основном за счет дрейфа в электрическом поле. Поле создается из-за неравномерной начальной концентрации примесей в базе, экспоненциально уменьшающейся от эмиттера к коллектору. Например, в n-p-n-транзисторе из-за градиента концентрации акцепторной примеси дырки диффундируют от эмиттерного перехода к коллекторному. Создается избыток положительных зарядов у КП за счет дырок, а у ЭП создается нескомпенсированный заряд из отрицательных ионов. В базе создается электрическое поле Е, ускоряющее движение электронов от эмиттера к коллектору со скоростью в 2…5 раз большей, чем диффузия. Граничная частота усиления транзистора увеличивается в 2…5 раз.
Технология изготовления дрейфовых транзисторов – метод двойной диффузии.