18.Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

Обозначение биполярных

транзисторов на схемах

Упрощенная схема поперечного разреза биполярного NPN транзистора

Первые транзисторы были изготовлены на основе германия. В настоящее время их изготавливают в основном из кремния и арсенида галлия. Последние транзисторы используются в схемах высокочастотных усилителей. Биполярный транзистор состоит из трех различным образом легированных полупроводниковых зон: эмиттера E, базы B и коллектора C. В зависимости от типа проводимости этих зон различают NPN (эмиттер − n-полупроводник, база − p-полупроводник, коллектор − n-полупроводник) и PNP транзисторы. К каждой из зон подведены проводящие контакты. База расположена между эмиттером и коллектором и изготовлена из слаболегированного полупроводника, обладающего большим сопротивлением. Общая площадь контакта база-эмиттер значительно меньше площади контакта коллектор-база, поэтому биполярный транзистор общего вида является несимметричным устройством (невозможно путем изменения полярности подключения поменять местами эмиттер и коллектор и получить в результате абсолютно аналогичный исходному биполярный транзистор).

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (Iэ=Iб + Iк). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (Iк = α Iэ) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Нормальный активный режим

Переход эмиттер-база включен в прямом направлении (открыт), а переход коллектор-база — в обратном (закрыт)

UЭБ>0;UКБ<0;

[править]

Инверсный активный режим

Эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое.

[править]

Режим насыщения

Оба p-n перехода смещены в прямом направлении (оба открыты).

[править]

Режим отсечки

В данном режиме оба p-n перехода прибора смещены в обратном направлении (оба закрыты).

[править]

Барьерный режим

В данном режиме база транзистора по постоянному току соединена накоротко или через небольшой резистор с его коллектором, а в коллекторную или в эмитерную цепь транзистора включается резистор, задающий ток через транзистор. В таком включении транзистор представляет из себя диод, включенный последовательно с резистором. Подобные схемы каскадов отличаются малым количеством комплектующих, хорошей развязкой по высокой частоте, большим рабочим диапазоном температур, неразборчивостью к параметрам транзисторов.

[править]

Схемы включения

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

Коэффициент усиления по току Iвых/Iвх.

Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх

[править]

Схема включения с общей базой

Усилитель с общей базой.

Среди всех трех конфигураций обладает наименьшим входным и наибольшим выходным сопротивлением. Имеет коэффициент усиления по току, близкий к единице, и большой коэффициент усиления по напряжению. Фаза сигнала не инвертируется.

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1]

Входное сопротивление Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и не превышает 100 Ом для маломощных транзисторов, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Достоинства:

Хорошие температурные и частотные свойства.

Высокое допустимое напряжение

Недостатки схемы с общей базой :

Малое усиление по току, так как α < 1

Малое входное сопротивление

Два разных источника напряжения для питания.

[править]

Схема включения с общим эмиттером

Iвых = Iк

Iвх = Iб

Uвх = Uбэ

Uвых = Uкэ

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iк/Iб=Iк/(Iэ-Iк) = α/(1-α) = β [β>>1]

Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=Uбэ/Iб

Достоинства:

Большой коэффициент усиления по току

Большой коэффициент усиления по напряжению

Наибольшее усиление мощности

Можно обойтись одним источником питания

Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного.

Недостатки:

Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

[править]

Схема с общим коллектором

Iвых = Iэ

Iвх = Iб

Uвх = Uбк

Uвых = Uкэ

Коэффициент усиления по току: Iвых/Iвх=Iэ/Iб=Iэ/(Iэ-Iк) = 1/(1-α) = β [β>>1]

Входное сопротивление: Rвх=Uвх/Iвх=(Uбэ+Uкэ)/Iб

Достоинства:

Большое входное сопротивление

Малое выходное сопротивление

Недостатки:

Коэффициент усиления по напряжению меньше 1.

Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

[править]

Основные параметры

Коэффициент передачи по току

Входное сопротивление

Выходная проводимость

Обратный ток коллектор-эмиттер

Время включения

Предельная частота коэффициента передачи тока базы

Обратный ток колектора

Максимально допустимый ток

Граничная частота коэффициента передачи по схеме с общим эмиттером

Биполярные транзисторы

Термин «биполярный транзистор» связан с тем, что в этих транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов применяют те же полупроводниковые материалы, что и для диодов.

В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два p–n-перехода с чередующими типами электропроводности (p–n–p или n–p–n).

Биполярные транзисторы конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.1,а) (для применения, например, в составе интегральных микросхем) и заключенными в типовой корпус (рис. 1,б). Три вывода биполярного транзистора называются база, коллектор и эмиттер.

Рис. 1. Биполярный транзистор: а) p–n–p-структуры без корпуса, б) n–p–n-структуры в корпусе

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в схеме с общей базой, (рис. 2).

Рис. 2. Схема работы биполярного транзистора

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем примере для полупроводниковых приборов n-типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы E2 >> E1. Резистор Rэ ограничивает ток открытого p–n-перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (обусловлен неосновными носителями), его называют начальным коллекторным током Iк0. Если E1 > 0, электроны преодолевают эмиттерный p–n-переход (E1 включена в прямом направлении) и попадают в область базы.

Базу выполняют с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая. Следовательно, немногие попавшие в базу электроны рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток Iб. Одновременно в коллекторном p–n-переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее большинство электронов достигают коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи тока эмиттера

при Uкб = const.

Всегда ∆Iк < ∆Iэ, а a = 0,9 - 0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме Iк = Iк0 + aIэ » Iэ. Следовательно, схема биполярного транзистора с общей базой обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема с общим эмиттером, (рис. 3).

Рис. 3. Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером

Для нее по первому закону Кирхгофа можно записать Iб = Iэ – Iк = (1 – a)Iэ – Iк0 .

Учитывая, что 1 – a = 0,001 - 0,1, имеем Iб << Iэ » Iк .

Найдем отношение тока коллектора к току базы:

Это отношение называют коэффициентом передачи тока базы. При a = 0,99 получаем b = 100. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же сигнал, но усиленный по току в b раз, будет протекать в цепи коллектора, образуя на резисторе Rк напряжение много большее, чем напряжение источника сигнала.

Для оценки работы биполярного транзистора в широком диапазоне импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также для расчета цепи смещения, стабилизации режима используются семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ ).

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базы или эмиттера) от входного напряжения Uбэ при Uк = const, рис. 4,а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы с общим эмиттером или общей базой), рис. 4, б.

Рис. 4. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора: а – входные, б – выходные

Кроме электрического перехода n–p, в быстродействующих цепях широко используется переход на основе контакта металл–полупроводник – барьер Шоттки (Schottky). В таких переходах не затрачивается время на накопление и рассасывание зарядов в базе, и быстродействие транзистора зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Параметры биполярных транзисторов

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер (для различных транзисторов Uкэ макс = 10 - 2000 В),

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора Pк макс – по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3 - 1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт), транзисторы средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим устройством – радиатором,