Konsp_Lec_MKREA

Лекция 13. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода. В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы.

На характеристики транзистора существенно влияет технология его изготовления – сплавление, диффузия, эпитаксия и др.

Основой биполярного транзистора служит пластина полупроводника, называемая базой. С двух сторон в неё вплавлена (в данном случае технология изготовления – сплавление) примесь, которая создаёт области с типом проводимости, отличным от типа проводимости базы. Таким образом получают транзистор, например, типа p-n-p, в котором крайние области являются полупроводниками с дырочной проводимостью, а средняя область – полупроводником с электронной проводимостью (рис. 13.1).

Рисунок 13.1 – Биполярный транзистор типа p-n-p

Одна из крайних областей биполярного транзистора называется эмиттером и служит источником зарядов, а другая называется коллектором – приёмником зарядов. На границе областей образуется два p-n перехода – коллекторный и эмиттерный.

Рассмотрим принцип работы биполярного транзистора в режиме усиления (в линейном режиме). Схема включения транзистора в режиме усиления соответствует изображённой на рис. 13.2.

При отсутствии внешнего напряжения на выводах транзистора вблизи коллекторного и эмиттерного переходов имеет место накопление зарядов

121

неподвижных ионов (обеднённый основными носителями заряда слой), в результате чего образуется внутреннее электрическое поле Eвнутр,

препятствующее движению основных зарядов, т.е. протеканию диффузионного тока. Данный эффект рассмотрен ранее, при изучении работы p-n перехода.

Для смещения эмиттерного перехода в прямом направлении на базу подают отрицательное по отношению к эмиттеру напряжение Uбэ. Обычно это

напряжение менее 1 В. Под действием этого напряжения возникает внешнее электрическое поле, вектор напряжённости которого Eвнешн действует навстречу вектору внутреннего поля и уменьшает потенциальный барьер на переходе база-эмиттер. Следовательно, чем больше напряжение Uбэ , тем больше Eвнешн и тем меньше потенциальный барьер. При уменьшении

потенциального барьера всё больше основных носителей преодолевает его, создавая диффузионный ток. В данном примере основными носителями являются дырки в области эмиттера и электроны в области базы.

Рисунок 13.2 – Биполярный транзистор в режиме усиления

122

Поскольку эмиттер является источником зарядов, в него вводят наибольшее количество примеси. В результате концентрация основных носителей в эмиттере значительно превышает концентрацию основных носителей в базе. Это приводит к тому, что рекомбинация дырок в базе оказывается незначительной и эти дырки, перешедшие в базу из эмиттера, определяют появление тока базы Iб . Также, для уменьшения рекомбинации

носителей заряда в базе уменьшают ширину базы.

В режиме усиления коллекторный переход смещают в обратном направлении, для чего подают на коллектор отрицательное по отношению к базе напряжение. Напряжение Uкэ обычно во много раз больше напряжения

Uбэ. Под действием этого напряжения возникает внешнее электрическое поле, вектор напряжённости которого Eвнешн действует в одном направлении с

вектором внутреннего поля и увеличивает потенциальный барьер на переходе база-коллектор. В результате, переход база-коллектор оказывается заперт и через него, при нулевом токе базы, протекает дрейфовый ток неосновных носителей заряда Iкб0 .

Работа транзистора в режиме усиления подразумевает, что имеется возможность управления большим током коллектора с помощью малого тока базы. Но откуда возьмётся большой ток коллектора, если переход базаколлектор заперт? Дело в том, что обратное напряжение на переходе базаколлектор препятствует движению основных носителей заряда, но способствует движению неосновных носителей заряда и это приводит к следующему.

Вследствие снижения потенциального барьера на переходе база-эмиттер, при подаче отпирающего напряжения Uбэ, происходит инжекция дырок из

эмиттера в базу. Поскольку ширина базы мала, то эти дырки достигают границы перехода база-коллектор. Так как дырки в базе – это неосновные носители заряда, то они оказываются под действием ускоряющего поля на переходе база-коллектор и экстрагируются в коллектор, создавая ток коллектора Iк .

Концентрация примеси в коллекторе обычно меньше, чем концентрация примеси в эмиттере. При этом коллекторный переход оказывается более широким и увеличивается его напряжение пробоя. Вместе с тем, площадь

123

коллекторного перехода в несколько раз больше площади перехода базаэмиттер. Это позволяет коллектору «собирать» большинство носителей заряда, инжектированных из эмиттера в базу (даже те, которые двигаются от эмиттера под некоторым углом к оси транзистора).

Поэтому лишь небольшая часть инжектированных из эмиттера в базу дырок создаёт ток базы, ещё некоторая часть рекомбинирует в базе, а основная часть этих дырок поступает в коллектор. Таким образом, можно считать, что

Iэ Iб Iк и Iк Iб .

Вывод: увеличение напряжения Uбэ увеличивает ток через эмиттерный переход, что приводит к увеличению тока коллектора. Появляется возможность при помощи малого напряжения Uбэ (или малого тока Iб ) управлять большим током Iк .

Различают входные и выходные ВАХ биполярного транзистора. Входная ВАХ мало отличается от ВАХ полупроводникового диода и изображена на рис. 13.3. Семейство выходных ВАХ изображено на рис. 13.4.

Кроме рассмотренного линейного режима на выходных ВАХ выделяют режим отсечки, при котором переход база-эмиттер заперт, ток базы Iб 0 и ток коллектора определяется лишь током дрейфа запертого перехода базаколлектор, т.е. Iк Iкб0 , а также режим насыщения, при котором оба перехода

открыты.

Из рис. 13.2 следует, что Uбк Uкэ Uбэ. Для того, чтобы указать на то,

что напряжение база-коллектор в режиме усиления является запирающим, а напряжение база-эмиттер отпирающим, перепишем данное выражение в виде

Uбк Uкэ Uбэ.

При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, ток коллектора будет создавать падение напряжения Uн Iк Rн . При этом падение

напряжения на нагрузке будет уменьшать запирающее напряжение Uбк , т.е.

Uбк Uкэ Uбэ Uн.

Следовательно, для перехода из режима усиления в режим насыщения, при постоянстве напряжения Uкэ, необходимо увеличивать ток базы до тех пор,

124

пока возрастающий при этом ток коллектора не создаст такое падение напряжения на нагрузке, при котором Uбк 0 . Этот случай будет соответствовать граничному режиму насыщения. Дальнейшее увеличение тока базы приведёт к положительному напряжению Uбк , т.е. откроет переход база-

коллектор (режим глубокого насыщения).

Рисунок 13.3 – Входная ВАХ биполярного транзистора

Рисунок 13.4 – Выходные ВАХ биполярного транзистора

В режиме насыщения оба перехода транзистора открыты и в базе протекает избыточный ток (ток диффузии как из эмиттера, так и из коллектора),

125

т.е. ток базы превышает значение, необходимое для получения данного тока коллектора при работе в линейном режиме. Глубина насыщения характеризуется коэффициентом насыщения

KIб нас ,

нIб гр

где Iб гр – ток базы в граничном режиме.

Работа транзистора в режиме отсечки и насыщения применяется при использовании его в качестве ключа (состояния открыт/закрыт). Однако необходимо иметь в виду, что при глубоком насыщении в базе накапливается большое количество неосновных носителей заряда, процесс рассасывания которых при переходе в режим отсечки задерживает выключение транзистора, т.е. ухудшает его быстродействие (частотные свойства). Поэтому стремятся работать в граничном режиме насыщения.

Отметим некоторые особенности характеристик транзистора в режиме усиления (в линейной области). Во-первых, ток коллектора растёт с ростом напряжения Uбэ по экспоненциальному закону, т.е.

Iк Iкб0 exp(Uбэ ) .

UT

Во-вторых, приращение тока коллектора пропорционально приращению тока базы Iб .

В-третьих, ток коллектора практически не зависит от напряжения на коллекторе.

В-четвёртых, напряжение на базе не зависит от напряжения на коллекторе и слабо зависит от тока базы.

Следовательно, в линейном режиме транзистор для малых приращений тока базы можно заменить источником тока коллектора, управляемого током базы.

Это позволяет представить транзистор в виде простейшей схемы замещения, изображённой на рис. 13.5.

Пользуясь данной моделью, можно рассчитать коэффициент усиления каскада, изображённого на рис. 13.6. Подставим схему замещения транзистора в схему усилительного каскада и получим схему, изображённую на рис. 13.7.

126

Рисунок 13.5 – Схема замещения биполярного транзистора в малосигнальном режиме

Рисунок 13.6 – Схема каскада усиления на биполярном транзисторе

Рисунок 13.7 – Схема замещения каскада усиления

Для схемы на рис. 13.7 можно получить такие расчётные соотношения

Iб Uс , Rб

Iк B Iб ,

Uн Iк Rн B Iб Rн B Uс Rн . Rб

Следовательно, коэффициент усиления каскада по напряжению

Ku Uн B Rн . Uс Rб

127

Для уточнения схемы замещения (рис.13. 5) её дополняют h-параметрами, как показано на рис. 13.8.

Рисунок 13.8 – Схема замещения биполярного транзистора с использованием h-параметров

Данной схеме замещения соответствуют уравнения, называемые

Смысл h-параметров можно определить, если рассмотреть работу схемы замещения в режимах холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе.

Врежиме холостого входа на входе Iб 0. При этом из выражений (13.1)

и(13.2) находим:

Следовательно, параметр h11 имеет смысл входного сопротивления, а параметр h21 имеет смысл коэффициента прямой передачи по току.

В справочной литературе h-параметры даются, как правило, применительно к одной из схем включения транзистора (схема с общим

128

эмиттером, схема с общим коллектором или схема с общей базой). Например, h21 э – коэффициент прямой передачи по току в схеме с общим эмиттером.

Для выяснения характера частотных свойств биполярного транзистора рассмотрим схему его замещения на высокой частоте (рис. 13.9). В данной схеме усилительные свойства транзистора учтены крутизной его ВАХ S , т.е. проводимостью прямой передачи. А частотная зависимость усилительных свойств определяется с помощью учёта емкостей между базой и коллектором Cбк и между базой и эмиттером Cбэ.

Рисунок 13.9 – Схема замещения биполярного транзистора на высокой частоте

В данной схеме точки б, к, э – представляют реальные выводы транзистора. Точка б’ находится внутри транзистора и доступа к ней нет. Сопротивление rб называется распределённым сопротивлением базы. Активная

проводимость эмиттерного перехода gэ вместе с ёмкостью Cбэ определяют полную проводимость эмиттерного перехода. Аналогично, активная проводимость коллекторного перехода gк вместе с ёмкостью Cбк определяют полную проводимость коллекторного перехода. Проводимость gк обычно очень мала, а ёмкость Cбк несколько уменьшается с ростом напряжения на коллекторе. Наличие связи между коллектором и эмиттером учтено в схеме замещения активной проводимостью gэк . Для высокочастотных транзисторов эта проводимость настолько мала, что её можно не учитывать.

Источник тока S Uб'э аналогичен источнику тока h21 Iб в схеме на рис. 13.8, однако управляется не током, а напряжением.

С ростом частоты увеличивается полная проводимость эмиттерного перехода, что приводит к увеличению тока Iб и увеличивает падение

129

напряжения на rб . Из-за этого уменьшается управляющее напряжение Uб'э и, следовательно, коэффициент усиления по току.

В то же время, полная проводимость коллекторного перехода также увеличивается с ростом частоты. В результате ток базы ещё больше увеличивается и ещё больше уменьшается управляющее напряжение Uб'э и

коэффициент усиления по току.

Также для учёта влияния частоты на усилительные свойства транзистора используется аппроксимация зависимости коэффициента передачи тока от частоты:

частота коэффициента передачи тока.

Модуль частотной зависимости коэффициента передачи тока определяется по формуле

передачи понижается в сравнении с B в 2 1,41 раза, т.е. на 3 дБ. Уже при 3 выражение для модуля частотной зависимости коэффициента передачи тока принимает вид:

где T B – называют граничной частотой передачи тока, на которой коэффициент передачи тока снижается до 1, как показано на рис. 13.10.

130