Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор содержит три области полупроводника с чередующимися типами проводимости, т.е. два p-n-перехода. Он может использоваться для усиления мощности. В зависимости от чередования слоев все биполярные транзисторы делятся на два типа: p-n-p и n-p-n (рис. 1.24). Для изготовления транзисторов принимается два полупроводниковых материала: германий и кремний.

В зависимости от мощности биполярные транзисторы относятся к одному из трех классов: малой мощности при P_max ≤ 0.3 Вт, средней мощности при 0.3 Вт < P_max ≤ 1.5 Вт или большой мощности P_max > 1.5 Вт. В зависимости от быстродействия биполярные транзисторы могут быть низкочастотными при f_тр ≤ 3 МГц, среднечастотными при 3 МГц < f_тр <30 МГц, высокочастотными при 30 МГц < f_тр ≤ 300 МГц и СВЧ при f_тр >300 МГц.

Для изготовления транзисторов может быть использована сплавная или диффузионная технология. Структура сплавного транзистора приведена на рис. 1.25. Средняя основная пластина полупроводника называется базой или основанием. Наружные слои образуются методом диффузии примесей или сплавлением с полупроводниковым материалом противоположной электропроводности. Один наружный слой называется эмиттером, а другой — коллектором. Назначение эмиттера является инжектирование (излучение) зарядов в базу, а назначением коллектора — сбор носителей зарядов, поступающих с эмиттера через базовый слой. Рассмотрим работу биполярного транзистора.

При отсутствии внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходам транзистора, распределение концентрации носителей зарядов и внутренней разности потенциалов происходит так, как это показано на рис. 1.26 для p-n-p-транзистора. В таком виде транзистор представляет собой два последовательно встречно включенных p-n-перехода. Концентрация основных носителей в базе п_по много меньше концентрации основных носителей в эмиттере р_ро, т.е. базовый слой более высокоомный. Индекс "о" относится к исходному состоянию транзистора без подключения к источнику напряжения. Потенциальные барьеры на границах слоев полупроводников устанавливаются такой величины, чтобы обеспечить равновесие диффузионных и дрейфовых токов.

Внешнее напряжение к транзистору подключают таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного – в обратном. Это достигается с помощью двух источников U_э, и U_к. На рис. 1.27 показано включение p-n-p- транзистора по схеме с общей базой. В эмиттерном переходе потенциальный барьер для дырок уменьшается и дырки из эмиттера будут переходить в область базы, а электроны — из базы в эмиттер. При этом эмиттерный ток равен сумме этих потоков:

Дырочная составляющая эмиттерного тока создается потоком дырок из эмиттера в базу. Часть этого потока достигает коллектора, пройдя через область базы. Эта часть создает коллекторный ток I_к.

Электронная составляющая эмиттерного тока замыкается через источник U_э и не участвует в создании коллекторного тока.

Таким образом, эмиттер создает поток носителей в базу. Этими носителями являются дырки. Часть дырок достигает коллектора, а часть рекомбинирует с электронами базы. Для определения числа дырок, прошедших с эмиттера, на коллектор служит коэффициент переноса . Принципиально d < 1 и реально находится в диапазоне значений 0,96–0,996. Коллекторный ток связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока , где — коэффициент инжекции.

Наличие коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, приводят к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора; обратного тока I_ко. Этот ток в нормальных условиях невелик, не зависит от I_э, но сильно зависит от температуры. В итоге

На рис. 1.28 условно показано распределение токов в биполярном p-n-p-транзисторе.

Управляющие свойства транзистора заключаются в изменении I_к под действием управляющего I_э, (или U_э). Система уравнений, описывающих работу транзистора, может быть составлена исходя из закона Кирхгофа:

Здесь , при U_кб = const. В современных транзисторах коэффициент передачи тока a =0,9 ÷ 0,995.

Не обязательно транзистор используется в схеме с общей базой. Такая схема используется относительно редко. Можно использовать схемы с общим эмиттером или общим коллектором. Рассмотрим статические вольтамперные характеристики транзистора при различных схемах включения.

Схема включения с общей базой. Практический интерес представляют зависимость тока от напряжения во входной и в выходной цепях — входные и выходные вольтамперные характеристики транзистора. Эти зависимости принято изображать в виде графиков. На рис. 1.29 приведено семейство выходных характеристик биполярного транзистора в схеме ОБ: I_к = f(U_кб) при I_э = const. Отрицательное значение U_кб говорит о том, что характеристики относятся к транзистору p-n-p-типа. На семействе характеристик можно выделить три области. Область I охватывает нелинейный начальный участок, на котором наблюдается сильная зависимость I_к от U_кб. Область II относится к линейным участкам характеристик, на которых I_к практически не зависит от U_кб. Большинство рабочих режимов транзисторов выбирается в области II. Наконец, область III характерна для аварийных режимов пробоя коллекторного перехода под действием высоких напряжений.

При изменении температуры характеристики смещаются: в область больших токов при увеличении температуры и в область меньших токов при снижении. При этом величина коэффициента передачи тока a зависит от режима работы транзистора: есть область токов, при которых a достигает экстремума. Эта область наиболее предпочтительна с точки зрения оптимального использования усилительных свойств транзистора.

С ростом частоты сигнала наблюдается уменьшение коэффициента передачи тока, что объясняется шунтирующим влиянием емкостей p-n- переходов на высоких частотах.

На рис. 1.31 показана принципиальная схема включения p-n-p-транзистора с общей базой и семейство входных характеристик I_э = f(U_эб) при U_кб = const. Ток эмиттера мало зависит от небольших изменений U_кб.

При использовании транзисторов p-n-p-типа необходимо изменить полярность источников U_э, U_к.

Схема включения с общим эмиттером (рис. 1.32). Такая схема используется наиболее часто, что объяс­няется малыми значениями входных токов и большим усилением по току. Выходные (коллекторные) характеристики транзистора в этой схеме показаны на рис.1.33. Для такой схемы входной контур проходит через переход база-эмиттер и в нем возникает ток базы , который значительно меньше выходного тока I_к. Коэффициент передачи тока в схеме ОЭ:

Если a = 0,9 ÷ 0,99, то b = 9 ÷ 99, следовательно, в схеме происходит значительное усиление по току.

При I_б выходной обратный ток I_ко(э) значительно больше обратного тока I_ко(э) всхеме ОБ:

Для того чтобы снизить обратный ток до величины I_ко, необходимо подать I_б = – I_ко. Если подать U_кэ ³ 0,то ток коллектора установится I_ко без влияния I_б — область отсечки.

Коллекторные напряжения U_кэ, выдерживаемые транзистором по схеме ОЭ значительно меньше напряжений U_кб, выдерживаемых транзистором в схеме ОБ.

Коллекторные характеристики в этой схеме подвержены влиянию температуры значительно сильнее, чем в схеме ОБ, т.к. I_ко(э) больше I_ко в (1+b) раз, сильнее зависит от температуры, чем a.

Входные (базовые) характеристики транзистора приведены на рис. 1.34. Параметры входной цепи мало зависят от изменений U_кэ, поэтому часто пользуются одной усредненной характеристикой.

Коэффициент усиления тока b в схеме ОЭ так же, как и коэффициент передачи тока a в схеме ОБ, зависит от величины эмиттерного (коллекторного) тока; характер зависимости имеет положительный экстремум при некотором значении I_э.

Схема включения с общим коллектором (рис. 1.35) обладает вольтамперными характеристиками, аналогичными схеме ОЭ. Коэффициент передачи в этой схеме

практически равен коэффициенту усиления в схеме ОЭ.

Схема замещения (модель) транзистора в схеме ОЭ показана на рис. 1.36. Схема замещения используется для расчета схем с транзисторами, анализа влияния отдельных параметров. На рисунке представлена упрощенная схема замещения при работе транзистора с малым сигналом. Схема содержит следующие величины:

1. Объемное сопротивление базы r_б. Численные значения r_б находятся в пределах 100–400 Ом.

2. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода:

Величина r_э, зависит от постоянной составляющей I_э, и составляет единицы или десятки Ом.

3. Источник тока bI_б. Учитывает транзитное приращение коллекторного тока за счет базового тока, т.е. усиление по току.

4. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме ОЭ:

В схеме ОЭ сопротивление коллекторного перехода значительно меньше, чем в схеме ОБ:

5.С_к(э) — емкость коллекторного перехода в схеме ОЭ;

Емкость эмиттерного перехода С_э(э) в схеме ОЭ не учитывают в виде ее малости.

Уменьшение усилительных свойств транзистора на высоких частотах характеризуют граничной частотой f_гр, при которой модуль коэффициента передачи тока a уменьшается в раз.

На высоких частотах коэффициенты a и b не постоянны, а зависят от частоты и выражаются комплексной величиной:

Значение граничной частоты одного и того же транзистора зависит от схемы его включения. Так, граничная частота f_грb в схеме ОЭ меньше граничной частоты f_гр.a в схеме ОБ:

h — параметры транзистора. Параметры схемы замещения непосредственно замерить невозможно из-за недоступности к границам слоев полупроводника, поэтому на практике используются параметры транзистора как активного линейного четырехполюсника. Эти параметры необходимы для расчета цепей с транзисторами и их анализа. В области малых напряжений, когда входной сигнал по амплитуде меньше постоянного напряжения, соответствующего точке покоя, связь между токами и напряжениями в транзисторе можно считать линейной, а транзистор можно представить в виде линейного четырехполюсника (рис. 1.37). Состояние четырехполюсника полностью описывается параметрами I₁, U₁, I₂, U₂. Связь между этими параметрами описывается системой уравнений, зависящих от того какие два параметра из четырех, берутся независимыми. Для транзистора в качестве независимых переменных обычно принимают приращение входного тока DI₁ и выходного напряжения DU₂, а приращение DU₁ и DI₂ выражают через так называемые h-параметры.

Схема замещения транзистора, соответствующая h-параметрам, приведена на рис.1.38. h-параметры имеют определенный физический смысл:

— входное сопротивление при DU₂ = 0;

— коэффициент передачи тока при DU₂ = 0;

— коэффициент обратной связи по напряжению при DI₁ = 0;

— выходная проводимость при DI₁ = 0.

Достоинство системы h-параметров — возможность экспериментального определения характеристических коэффициентов h. Обычно измеряют h-параметры транзистора в схеме ОБ. Через h-параметры можно выразить значение элементов схемы замещения:

h-параметры транзистора в различных схемах включения (ОЭ, ОБ, ОК) взаимосвязаны известными зависимостями.

Например:

В справочниках приводятся паспортные данные h-параметров, измеренные на частоте 1 кГц.

Основные технические характеристики биполярных транзисторов

Как правило, на практике учитывают следующие параметры транзисторов, которые приводятся в справочной литературе:

максимально допустимое напряжение U_кэ или U_кб;

максимальный коллекторный ток I_max;

обратный ток коллекторного перехода I_ко;

максимальная мощность, рассеиваемая на коллекторе P_{к max};

коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером b = h_21э;

остаточное напряжение на коллекторе открытого транзистора U_н;

граничная частота усиления f_гр;

емкость коллекторного перехода С_кб.

При этом указывается, в каких режимах, при каких токах и напряжениях измерены приведенные параметры. Кроме указанных параметров, приводятся графики статических характеристик транзистора, а также графические или аналитические функции для расчета влияния температуры и режимов работы на величину параметров.

В настоящее время промышленность серийно выпускает не только одиночные биполярные транзисторы, но и сборки транзисторов в одном корпусе, а также составные транзисторы. Сборки представляют собой набор транзисторов, идентичных по своим параметрам. Составной транзистор внешне проявляет себя как обычный биполярный транзистор с большим коэффициентом усиления по току. Схема составного транзистора показана на рис. 1.39. Такая схема называется схемой Дарлингтона. В этой схеме общий коэффициент усиления:

Следует иметь в виду, что термостабильность составного транзистора хуже, чем одиночного:

Рабочая область выходных характеристик биполярных транзисторов выбирается с учетом того, что ни один из ограничивающих параметров I_kmax, U_kmax, P_kmax, не должен быть превышен. На рис. 1.40 пунктирными линиями ограничены области допустимых значений параметров I_k, U_k, P_k. Рабочая область выходных характеристик заштрихована. За пределами заштрихованной зоны находится область перегрузки транзистора по току, напряжению или мощности.

1.7. Однопереходные транзисторы

Однопереходным транзистором называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом, содержащий три внешних электрода. В зависимости от типа проводимости основного полупроводника могут быть транзисторы с n-базой или с p-базой. Условные обозначения однопереходных транзисторов показаны на рис. 1.41, а структура однопереходного транзистора с n-базой — на рис. 1.42. Концентрация носителей в базе однородна, поэтому сопротивление базовых областей будут пропорциональны их длине. Напряжение U_бб делится пропорционально длине базовых областей l₁ и l₂. При любой полярности, если напряжение U_э, на эмиттере не превышает U_б1, то p-n-переход заперт и в цепи эмиттера течет обратный ток I_эо. При повышении U_э, до значения U_б1 обратный ток I_эо уменьшится до нуля; при дальнейшем повышении U_э ток I_э, возрастает и при достижении критического значения I_вкл происходит лавинообразное увеличение тока I_э, что соответствует участку отрицательного сопротивления на вольтамперной характеристике (рис. 1.43).

При U_бб = 0 вольтамперная характеристика однопереходного транзистора вырождается в характеристику выпрямительного диода. Однопереходные транзисторы характеризуют следующими основными параметрами: межбазовое сопротивление r_бб, допустимая рассеиваемая мощность P_доп, ток включения I_вкл, ток выключения I_выкл, отношение напряжений:

1.8. Полевые транзисторы. В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака. Их называют еще униполярными. Принцип действия полевых транзисторов заключается в регулировании эффективного сечения канала, где движутся носители тока при помощи электрического поля, создаваемого напряжением, подводимым к управляющему электроду-затвору. Классификация и условные обозначения полевых транзисторов приведены на рис. 1.44.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом. Структура такого транзистора применительно к транзистору с n-каналом доказана на рис. 1.45. Центральная область транзистора, называемая каналом, образована однородным полупроводником n-типа. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда называется истоком, а противоположный ему электрод, через который носители уходят из канала, - стоком. Электрод, служащий для регулирования сечения канала называют затвором. Затвор граничит с каналом через полупроводник p-типа, так что затвор оказывается электрически отделенным от канала закрытым p-n-переходом. В транзисторе с n-каналом основными носителями зарядов являются электроны, движущиеся от истока к стоку, образуя ток стока I_c. Между затвором и истоком приложено напряжение U_зи, запирающее p-n-переход границы канал-затвор. В транзисторах с n-каналом U_си > 0; U_зи ≤ 0.

В транзисторе с p-каналом основными носителями являются дырки, а полярности напряжении питания противоположны:

U_си <0; U_зи ³ 0

При приложении управляющего запирающего напряжения U_зи происходит объединение носителей зарядов в области границы затвор-канал и повышение электрического сопротивления этой области. Это приводит к уменьшению проводящего сечения канала. Напряжение на затворе может только уменьшить сечение канала, но не увеличить его.

Напряжение между истоком и стоком U_си приводит к появлению неравномерно обедненного слоя в канале. Наименьшее сечение канала расположено вблизи стока, так как разность потенциалов между затвором и каналом увеличивается в направлении от истока к стоку (рис. 1.46).

Если одновременно подать напряжение U_зи и U_си, то сечение канала будет определяться действием этих двух напряжений некогда суммарное напряжение достигнет напряжения запирания , обедненные области смыкаются, и канал полностью перекрывается. Это соответствует горизонтальным участкам выходных (стоковых) вольтамперных характеристик (рис. 1.47). На начальном участке характеристик суммарное напряжение меньше U_зап и ток стока I_с растет с возрастанием напряжения U_ст. При достижении суммарным напряжением величины U_зап рост тока I_с прекращается.

Как видно из рис.1.47 а, увеличение напряжения на затворе уменьшает величину тока стока I_с. Загиб характеристик в области больших напряжений U_си, соответствует режиму пробоя перехода затвор-канал. Рабочим диапазоном характеристик являются участки насыщения.

На рис. 1.47 б показан вид передаточной (стоко-затворной) характеристики f_c = f(U_зи) на участке насыщения.

Входные вольтамперные характеристики в полевых транзисторах не используются, т.к. токи затвора очень малы (порядка 10^-9 ÷ 10^-8 А) и их не принимают во внимание.

Полевой транзистор с изолированным затвором. В этих транзисторах затвор отделен от канала слоем диэлектрика, в качестве которого может выступать окисел металла электрода. Поэтому такие транзисторы называют МДП (металл-диэлектрик - полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник) транзисторами. Принцип действия состоит в изменении проводящего сечения канала поперечным электрическим полем. Затвор изолирован от канала, поэтому транзистор имеет очень высокое входное сопротивление (10¹²–10¹⁴ Ом), сравнимое с сопротивлением хорошего изолятора. В зависимости от технологии изготовления различают транзисторы с встроенным каналом и транзисторы с индуцированным каналом. Они различаются своими характеристиками. Полевые транзисторы с изолированным затвором не содержат p-n-переходов.

На рис.1.48 показаны выходная и переходная характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором и встроенным каналом. Характеристики подобны аналогичным характеристикам транзистора с управляющим p-n-переходом. Основное отличие заключается в возможности работы с U_си > 0; при этом происходит расширение канала и увеличение I_с. Отрицательным значением U_зи соответствует режим обеднение (сужения канала), а положительным - режим обогащения (расширения канала). В некоторых МОП-транзисторах подложка, на которой формируется транзистор, имеет вывод наружу корпуса транзистора. В этом случае вывод подложки обычно подключают к истоку.

В полевых транзисторах с изоли-рованным затвором и индуцированным каналом канал проводимости специально не создается. Он образуется (индуцируется) притоком электронов (или дырок) из пластины полупроводника. Так положительных значений U_зи, у них входное напряжение может только расширять канал проводимости. Характеристики МОП-транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 1.49.

Все полевые транзисторы характеризуются следующими основными параметрами:

1) крутизна характеристики передачи ;

2) дифференциальное сопротивление на участке насыщения ;

3) максимально допустимое значение тока стока I_{с max};

4) максимально допустимое значение напряжения стока U_{с max};

5) максимальная рассеиваемая мощность P_{с max};

6) ток затвора или сопротивление затвора I_з(R_з);

7) величины межэлектродных емкостей С_зс, С_зи, С_си.

МОП-транзисторы обладают очень хорошей технологичностью, дешевы в производстве. Они очень широко используются для изготовления аналоговых и цифровых интегральных микросхем. Преимуществом таких транзисторов является очень большое входное сопротивление, они могут работать при более высоких напряжениях, чем биполярные транзисторы.