Биполярные транзисторы

Полупроводниковые приборы, имеющие два взаимодействующих между собой р-n – перехода с тремя выводами, называются биполярными транзисторами. Транзисторы называются биполярными по причине того, что в процессы в обоих переходах происходят за счет носителей зарядов двух типов: электронов и дырок.

В первом приближении биполярные транзисторы могут быть представлены двумя встречно включенными полупроводниковыми диодами, от общей точки которых делается вывод, называемый базой (рис. 1.43, а и б). При этом выводы, сделанные от анодов (катодов) диодов, называются эмиттером и коллектором. В кристалле полупроводника биполярных транзисторов площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода. Различают биполярные транзисторы прямой и обратной проводимостей, обозначаемые соответственно p-n-p и n-p-n. В нашем случае, если диоды соединены катодами, то транзистор обладает прямой проводимостью, если диоды соединены анодами, то транзистор обладает обратной проводимостью. Упрощенные структуры транзисторов прямой и обратной проводимостей представлены на рис. 1.44, а и б, а на рисунке 1.45, а и б представлены условные графические обозначения биполярных транзисторов прямой и обратной проводимостей соответственно.

p-n-pа) n-p-n б)	а) б)	p-n-pа) n-p-nб)
Рис. 1.43	Рис. 1.44	Рис. 1.45

Основную роль в электрических процессах транзисторов прямой проводимости p-n-p играют дырки, а в транзисторах обратной проводимости n-p-n – электроны. Так как электроны имеют подвижность в два-три раза большую, чем дырки, то транзисторы n-p-n имеют лучшие показатели параметров по отношению к транзисторам p-n-p. Поэтому они получили более широкую сферу применения в электронной аппаратуре различного назначения.

Переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что, в отличие от схемы с двумя диодами (см. рис. 1.43), ток одного перехода в транзисторе влияет на ток другого его перехода. Эффекту взаимодействия переходов в транзисторе способствует то, что ширина области базы существенно уже, чем ширина областей коллектора и эмиттера, и составляет (20÷1,0) мкм и меньше. В условной схеме с диодами ток каждого из них зависит только от напряжения на самом диоде и никак не зависит от тока другого диода. Электрод базы расположен ближе к эмиттеру. Ширина области базы влияет на частотный диапазон транзистора – с уменьшением ширины верхняя граничная частота транзистора увеличивается.

Различают диффузионные (бездрейфовые) и дрейфовые биполярные транзисторы. В первых концентрация примесей равномерно распределена в области базы, поэтому ионы атомов примесей не создают дополнительного электрического поля, которое влияло бы на движение носителей заряда через базу. При этом движение этих носителей происходит главным образом в форме диффузии. В дрейфовых транзисторах концентрация примесей различна в разных областях базы. Это приводит к появлению дополнительного электрического поля, которое оказывает существенное влияние на движение носителей заряда через базу. При этом движение носителей, в отличие от первого случая, происходит в основном в форме дрейфа. Дрейф ускоряет движение носителей заряда через базу, поэтому дрейфовые транзисторы являются более быстродействующими по отношению к диффузионным транзисторам.

Технология изготовления транзисторов (сплавные, диффузионные, эпитаксиальные) в значительной степени определяет характеристики транзисторов.

1.9.1. Режимы работы

В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Качественные показатели схем включения разнятся и приведены в таблице 1.1, в которой К_U, К_I и К_P – коэффициенты усиления по напряжению, по току и мощности соответственно.

Таблица 1.1

Схема вклю- чения	Входное сопротив- ление r вх	Выходное сопротив- ление r вых	КU	КI	КP
ОЭ	среднее	высокое	большой	большой	очень большой
ОК	очень большое	очень низкое	≈ 1	большой	большой
ОБ	малое	очень высокое	большой		большой

С учетом полярности постоянных напряжений, приложенных к электродам транзистора, возможны следующие его режимы работы: линейный, насыщения, отсечки, инверсный, а также аварийный режим – режим пробоя. Рассмотрим перечисленные режимы работы транзистора при различных смещениях его переходов.

Линейный режим, т.е. режим линейного усиления входного сигнала, получается, когда переход база-эмиттер (Б-Э) смещен в прямом направлении (открыт), а переход база-коллектор Б-К смещен в обратном направлении (более отрицательным потенциалом коллектора по отношению к базе) (рис. 1.46). При этом через переход Б-Э протекает ток базы i_б, а ток коллектора равен

Рис. 1.46

iк = β iб, где β – коэффициент передачи транзистора по току – главный параметр транзистора, отражающий его усилительные возможности.

Ток коллектора значительно больше тока базы, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно β составляет 10÷300; у очень широкополосных транзисторов β может быть меньше, порядка 2÷5; или значительно больше, 5000 ÷ 10000 – у супербетатранзисторов, обладающих сверхтонким слоем базы.

Таким образом, ток базы транзистора очень мал I _б << I _э, I _к, поэтому ток эмиттера практически полностью преобразуется в ток коллектора. Усилительные свойства транзистора в схеме с ОБ отражаются коэффициентом α = I _к/ I _э, связанного с β соотношением α = β / (β +1).

Прямое напряжение U_бэ на переходе Б-Э связано с током коллектора уравнением Эберса-Молла:

i_к = I_кб0 [ exp (U_бэ /φ_Т) – 1], (1.27)

где I_кб0 – обратный ток коллекторного перехода при его обратном смещении;

φ_Т – тепловой потенциал.

Из (1.27) следует, что при прямом смещении эмиттерного перехода ток коллектора растёт с ростом напряжения U_бэ по экспоненциальному закону:

i_к = I_кб0 exp (U_бэ/φ_Т), (1.28)

где U_бэ ≤ φ_к – контактная разность потенциалов.

В линейном режиме для схемы с ОЭ и для малых приращений тока базы транзистор можно заменить источником тока коллектора, управляемого током базы (такой режим называют малосигнальным, при котором все сопротивления переходов транзистора линейны). При этом, если пренебречь падением напряжения между базой и эмиттером, то можно считать его замкнутым накоротко и тогда схема замещения будет представлять собой простейшую модель биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис. 1.47).

Рис. 1.47

Рис. 1.48

Более точной для малосигнального режима является схема замещения, представленная на рисунке 1.48. Этой схеме замещения (четырехполюснику) соответствуют уравнения, которые называются уравнениями транзистора в Н -параметрах:

Uбэ = H 11 iб + Н 12 uкэ iб = H 21 iб + H 22 uкэ.

(1.29)

Физический смысл Н -параметров определяется, если рассмотреть режимы холостого хода (ХХ) на входе схемы и короткого замыкания (КЗ) на её выходе.

При ХХ на входе i_б = 0, откуда

Н ₁₂ = , Н ₁₂ = (1.30)

При КЗ на выходе (u_КЭ = 0)

Н ₁₁ = , Н ₂₁ = (1.31)

Параметры ХХ обозначаются как:

Н ₁₂ – обратная передача по току;

Н ₂₂ – выходная проводимость;

Параметры КЗ обозначаются как:

Н₁₁ – входное сопротивление;

Н₂₁ – прямая передача по току.

Как видно из уравнений (1.30) и (1.31) Н -параметры связывают входные и выходные напряжения и токи транзистора, что позволяет определять параметры его схемы включения в малосигнальном режиме. В общем случае Н- параметры снабжаются индексом «б» в схеме с ОБ, а в схеме с ОЭ – индексом «э».

Можно показать, что

Н_21э ≈ r_б + (1+ β) r_э; Н _12э ≈ r_э /(2 r_к ʹ); Н_{21 э} ≈ β; Н _22э ≈ 1/ r_к ʹ. (1.32)

Здесь в первом приближении r_к ʹ = r_к /(1+ β ₀), где β ₀ – статический коэффициент передачи тока базы.

В справочной литературе приводятся, как правило, не все Н -параметры. Обязательно приводится Н ₂₁ = β. Остальные Н -параметры можно рассчитать по уравнениям (1.30), (1.31) и (1.32). Также в литературе часто применяется буква h вместо буквы Н для обозначения одноименных параметров на схеме замещения (см. рис. 1.48) и в соответствующих уравнениях (1.30) – (1.32).

Режим насыщения. Для перехода из линейного режима в режим насыщения необходимо увеличивать ток базы до тех пор, пока напряжение на коллекторе не понизится до такого значения, при котором произойдет отпирание коллекторного перехода. В этом случае полярность потенциалов на коллекторном переходе станет противоположной (см. рис. 1.46). Условием насыщения транзистора является равенство:

u_кб = u_кэ – u_бэ = 0 (1.33)

При глубоком насыщении u_кб > 0.

В любом случае увеличение тока базы приводит к увеличению тока коллектора. В результате увеличивается падение напряжения в нагрузочной цепи и уменьшается напряжение на коллекторе u_кэ. При u_кб = 0 режим называется граничным режимом, т.к. он характеризует переход транзистора из линейного режима в режим насыщения.

Глубину насыщения транзистора характеризуют коэффициентом насыщения

q = . (1.34)

Схема замещения транзистора в режиме насыщения может быть представлена последовательной цепью с замкнутым ключом Кл (рис. 1.49).

Рис. 1.49

В соответствии с этой схемой замещения U кэ нас = I к R нас + Е п, (1.35) где Rнас – сопротивление насыщения ключа; Еп = (0,5 ÷ 0,1) В.

В справочных данных обычно приводится значение U _{кэ нас} при заданном токе коллектора.

Режим отсечки. При изменении полярности напряжения на эмиттерном переходе (см. рис. 1.46) транзистор переходит в режим отсечки и I_{к обр} = I_кб0. При этом из (1.27) следует

U _бэ = φ_Т ln(I_к / I_кб0 + 1). (1.36)

Граничным режимом в этом случае является выполнение условия U _бэ = 0. В режиме отсечки транзистор можно заменить разомкнутым ключом, схема замещения которого приведена на рис. 1.50.

Рис. 1.50

Транзистор имеет некоторое достаточно большое сопротивление и параллельно включенный ему источник небольшого тока утечки I ут ≈ I кб0. В справочных данных для режима отсечки обычно приводится обратный ток коллектор-эмиттер I кэ R при заданном напряжении на коллекторе и при заданном сопротивлении R, включенном между базой и эмиттером.

Два рассмотренные ключевые режимы транзистора – режимы насыщения и отсечки – позволяют использовать транзистор как замкнутый или разомкнутый ключ Кл. Остальные элементы на приведенных схемах замещения транзистора в этих режимах соответствуют неидеальности транзисторных ключей. Транзисторные ключи находят широкое применение в различных электронных устройствах, в частности в цифровой электронике, в силовых частотных преобразователях, в коммутаторах сигналов измерительной техники и др. В ключевом режиме транзистор поочередно переводится из режима насыщения в режим отсечки и обратно. При этом важным является скорость переключения, которая характеризуется временем переключения или максимальной частотой коммутации.

Инверсный режим. Это режим, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. Коллектор и эмиттер по существу меняются местами, и роль коллектора выполняет эмиттер. Усиление при этом снижается β _инв < β _лин. Инверсный режим биполярных транзисторов используется в двунаправленных ключевых схемах, при изготовлении транзисторов в интегральном исполнении, например, для серии интегрально-инжекционной логики. Транзистор делается симметричным и его усиление практически не изменяется при замене коллектора на эмиттер. При этом области коллектора и эмиттера имеют одинаковые геометрические размеры на кристалле и одинаковые свойства. Для симметричных транзисторов характеристики в инверсном режиме подобны характеристикам в линейном режиме.

Режим пробоя транзисторов является аварийным режимом. Физические процессы в режиме пробоя транзистора сходны с режимами теплового пробоя диодов, поэтому после пробоя транзисторы не восстанавливаются.

1.9.2. Динамические характеристики транзистора при переключении проявляются в ключевом режиме. Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе приведена на рисунке 1.51, а. В ключевом режиме особенно важным параметром является время переключения транзистора из одного состояния в другое. Форма тока коллектора i _к при подаче в базу тока включения i _б.вкл в виде импульса прямоугольной формы показана на рисунке 1.51, б.

а)

б)

Рис. 1.51

Ток коллектора i _к достигает установившегося значения не сразу, а через некоторое время задержки t _зад и плавного времени нарастания t _нар. Время включения транзистора определяется как

t _вкл = t _зад + t _нар.

При выключении транзистора на его базу подается обратное напряжение, в результате чего ток базы меняет свое направление и становится равным i _б.выкл. Пока происходит рассасывание неосновных носителей заряда в базе за время рассасывания t _рас, ток i _к не меняет своего значения. После окончания процесса рассасывания происходит спад тока базы и соответственно тока коллектора, который продолжается в течение времени t _сп. Таким образом, время выключения транзистора равно

t _выкл = t _рас + t _сп.

При выключении транзистора, несмотря на изменение направления тока базы, транзистор в течение времени t _рас остается включенным и коллекторный ток не меняет своего значения. Спад тока коллектора начинается одновременно со спадом тока базы и заканчиваются они практически одновременно. Время рассасывания зависит от степени насыщения транзистора перед его выключением. Минимальное время выключения получается при граничном режиме насыщения. В справочных данных обычно приводят времена включения, спада и рассасывания. Для наиболее быстрых транзисторов время рассасывания t _рас = (0,1÷ 0,5) мкс, однако для силовых биполярных транзисторов оно может достигать 10 мкс.

1.9.3. Свойства биполярного транзистора в линейном режиме характеризуются не временем включения или выключения, а его частотными характеристиками. Одним из способов учета влияния частоты на усилительные свойства транзисторов является аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока базы от частоты, т.е. вместо постоянного значения коэффициента передачи тока базы β используется частотно-зависимый коэффициент, который для схемы с ОЭ определяется как

где β ₀ = β – коэффициент передачи тока базы на низкой частоте;

ω_β – предельная частота коэффициента передачи тока базы.

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока базы определяется по формуле

На частоте ω = ω_β модуль коэффициента передачи уменьшается по сравнению с β ₀ в 1,41 раза. Если ω = 3 ω_β, то частотная зависимость коэффициента передачи тока базы принимает вид

где ω_Т = β ₀ ω_β – граничная частота, на которой коэффициент передачи тока базы снижается до единицы. Частотная зависимость коэффициента передачи тока базы приведена на рисунке 1.52.

Рис. 1.52

Помимо снижения усиления с ростом частоты имеет место фазовый сдвиг выходного сигнала по сравнению с входным сигналом:

Поскольку фазовый сдвиг зависит от частоты, то сигналы с широким спектром частот будут дополнительно искажаться за счет фазового сдвига гармоник.

В зависимости от частотного диапазона все транзисторы подразделяются на: низкочастотные (НЧ) f < 3 мГц; среднечастотные (СЧ) 3 > f > 30 мГц; высокочастотные (ВЧ) 30 > f > 300 мГц; сверхвысокочастотные (СВЧ) f > 300 мГц.