Лекции Эл Приб / Лекции ЭлектронныеПриборы6

Лекция 6. Биполярные транзисторы

Содержание:

• Введение

• Принцип работы. Физические процессы в транзисторе

• Схемы включения

• Статические параметры БТ

• Входные и выходные ВАХ

Введение. В 1948 г. американские ученые Дж. Бардин и В. Браттейн изобрели полупроводниковый триод, или транзистор. На огромную важность изобретения указывает присужденная им Нобелевская премия. В настоящее время биполярный транзистор широко используется в радиоэлектронике как активный элементов дискретном исполнении, так и в составе микросхем. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых участвуют оба типа носителей – электроны и дырки. Название «транзистор» происходит от английских слов transfer resistor - преобразователь сопротивления.

Принцип работы. Физические процессы в транзисторе. Биполярный транзистор (БТ) – это полупроводниковый прибор, имеющий два р-n перехода, расположенных в одном монокристалле на расстоянии, значительно меньшем диффузионной длины неосновных неравновесных носителей.

Транзисторы делятся на n-p-n и p-n-p (рис. 6-1).

Биполярный транзистор имеет три электрода: эмиттер (Э), коллектор (К) и базу (Б). На условно-графическом изображении стрелка указывает на направление прямого тока через переход эмиттер-база. Эмиттер имеет значительно большую концентрацию легирующей примеси, чем коллектор и база (n⁺на рис. 6-1 (а) и р⁺ на рис. 6-1 (в)).

БТ делятся на бездрейфовые и дрейфовые. В бездрейфовых транзисторах база равномерно легирована, поэтому неосновные неравновесные носители перемещаются в базе только за счет диффузии. В дрейфовых база неравномерно легирована, поэтому в базе возникает встроенное электрическое поле, которое вызывает дрейф неосновных неравновесных носителей к коллектору, помогая диффузии. Физические процессы в обоих типах транзисторов мало различаются, поэтому в дальнейшем рассматриваются только бездрейфовые транзисторы.

Рассмотрим принцип действия транзистора на примере одномерной модели p-n-p (рис. 6-2). При работе в активном режиме эмиттерный переход (ЭП) открыт и через него в базу инжектируются дырки. Поскольку концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе (р_рЭ >> n_nБ), ток инжектированных дырок близок к полному току эмиттера I_Э. Для базы инжектированные дырки являются неосновными неравновесными носителями. За счет диффузии через базу большая часть дырок достигает коллекторного перехода. Обратно смещенный коллекторный переход (КП) не является барьером для дырок – вблизи КП дырки попадают в ускоряющее поле и втягиваются в коллектор. При диффузии через тонкую базу небольшая часть дырок рекомбинирует, вызывая ток базы I_Б. Сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода весьма велико, поэтому последовательно с коллектором можно включить большое сопротивление нагрузки. Напряжение на нагрузке U_Н = I_КR_НI_ЭR_Н. Учитывая, что сопротивление эмиттерного перехода мало, можно получить большое усиление по напряжению.

Энергетическая диаграмма (рис. 6-3) иллюстрирует работу транзистора в активном режиме. Поток дырок через базу создает ток, направленный от эмиттера к коллектору. Электрон, движущийся из коллектора в базу, обусловливает обратный ток коллекторного перехода I_КБ0, направленный в ту же сторону. Согласно первому правилу Кирхгофа I_К + I_Б = I_Э.

Схемы включения. Для работы транзистора к его электродам подводятся постоянные напряжения от внешних источников. В зависимости от того, потенциал какого электрода принимают равным нулю, различают три схемы включения (рис. 6-4): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

У n-p-n транзистора полярности напряжений и направления токов изменяются на противоположные.

Статические параметры БТ. Важными параметрами БТ для активного режима являются коэффициенты передачи тока. Ток коллектора можно представить как сумму двух составляющих: обратного тока коллекторного перехода I_КБ0 и части эмиттерного тока, который определяется потоком носителей, инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода I_Э:

I_К = I_КБ0 +I_Э.

Величина

(6-1)

называется коэффициентом передачи эмиттерного тока.

При инверсном включении транзистора (когда эмиттер и коллектор меняются местами, т.е. коллекторный переход включен в прямом, а эмиттерный – в обратном направлении) ток эмиттера равен:

I_Э = I_ЭБ0 +_II_К.

Величина _I

(6-2)

называется инверсным коэффициентом передачи коллекторного тока. Как правило, _I < .

В транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, входным током служит ток базы I_Б, а выходным – ток коллектора I_К. Для схемы ОЭ удобно применять коэффициент передачи тока базы В. Выражение для В можно получить, исключив из формулы 6-1 ток эмиттера I_Э = I_К + I_Б:

. (6-3)

В является коэффициентом при I_Б:

. (6-4)

Выразив  через В из формулы 6-4 и подставив в формулу 6-3, получим

. (6-5)

Входные и выходные ВАХ. В качестве статических характеристик чаще всего используются входные (зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении) и выходные (зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе). Простейшей моделью идеализированного транзистора, у которого  и _Iостаются постоянными, а объемными сопротивлениями пренебрегается, является модель Эберса-Молла (рис. 6-5). В этой схеме эмиттерный и коллекторный переходы изображены в виде двух диодов, включенных навстречу друг другу. Собирание носителей зарядов, инжектируемых через эмиттерный и коллекторный переходы, отображаются генераторами токов I₁ и _II₂. Используя формулы ВАХ идеальных диодов (2-6), получим

_(6-6)

Это выражение описывает выходные ВАХ идеализированного транзистора при включении по схеме ОБ.

Входные ВАХ идеализированного транзистора описываются формулой

_{, (6-7)}

_{где IЭБК– ток в эмиттерном переходе при обратном напряжении на этом переходе и коротком замыкании цепи коллектор-база;}

_{IКБК– ток в коллекторном переходе при обратном напряжении на этом переходе и коротком замыкании цепи эмиттер-база.}

_{Ток IКБК>IКБ0и ток IЭБК>IЭБ0, т.к. в режимах холостого хода и короткого замыкания цепи эмиттера или коллектора распределение неосновных неравновесных носителей в базе различно.}

_{Входные характеристики в схеме ОБ – это зависимость тока эмиттера от напряжения эмиттер-база при постоянном напряжении между коллектором и базой:}

_{IЭ = f(UЭБ)приUКБ = const,}

а выходные – это зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база при постоянном токе эмиттера:

_{IК = f(UКБ) при IЭ = const.}

Семейства входных и выходных ВАХ идеализированного БТ приведены на рис.6-6.

Статические характеристики реального транзистора в схеме ОБ (рис. 6-7) несколько отличаются от характеристик идеализированного БТ. На рис. 6-7 б) обозначены режимы работы БТ: РН – режим насыщения (режим двойной инжекции), АР – активный режим (используется при работе БТ в качестве усилителя), РО – режим отсечки (режим, при котором I_Э = 0).При повышении напряжения на коллекторе наступает режим лавинного умножения, характеризующийся быстрым ростом тока коллектора.

На ВАХ реального БТ влияет эффект модуляции толщины базы (эффект Эрли). Он заключается в том, что при повышении обратного напряжения на коллекторном переходе увеличивается толщина обедненной области (см. лекцию 2) в основном за счет уменьшения толщины базыW. Если U_КБ2>U_КБ1, то W₂<W₁. Эффект Эрли оказывает влияние на входные и выходные ВАХ. Входные ВАХ строятся при условии U_КБ = const. Если поддерживать I_Э = const, то наклон графиков зависимости р(х) в базе должен оставаться неизменным, т.к. ток эмиттера пропорционален градиенту концентрации неосновных неравновесных носителей в базе: I_Э  dр / dx. На рисунке 6-8 видно, что меньшей толщине базы соответствует меньшая концентрация дырок на границе эмиттерного перехода (p₂ < p₁, если W₂ < W₁). Но уменьшение концентрации дырок соответствует понижению U_ЭБ.

Это означает, что входная ВАХ смещается влево с ростом U_КБ сильнее, чем для идеального транзистора.

Выходные ВАХ получают наклон в активном режиме благодаря увеличению  при уменьшении толщины базы:

_.

Входные ВАХ при включении с общим эмиттером (ОЭ) - это зависимость тока базы I_Бот напряжения база-эмиттер U_БЭ: I_Б = f(U_БЭ) при U_КЭ = const. Они напоминают входные ВАХ в схеме ОБ, но смещаются вправо с ростом U_КЭ.

Выходные ВАХ при включении с ОЭ – это зависимость тока коллектора от напряжения U_КЭ при постоянном токе базы: I_К = f(U_КЭ) при I_Б = const.

Семейства входных и выходных ВАХ в схеме с ОЭ изображены на рис. 67-9. Выходные ВАХ при включении с ОЭ имеют в (В + 1) раз больший наклон, чем в схеме с ОБ.