4. Биполярные транзисторы

4.1. Общие сведения о транзисторах

Транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, используемые для усиления мощности и имеющие три или более выводов. Транзисторы могут иметь разное число переходов между областями с различной электро­проводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-п-переходами. Эти транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на исполь­зовании носителей заряда обоих знаков. Первый транзистор (TRANsfer reSISTOR) был разработан в 1948г.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рис. 4.1. Он представляет собой пластинку кремния, германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа п—р—п, имеющий среднюю область с ды­рочной электропроводностью, а две крайние области — с электронной электро­проводностью. Широко применяются также транзисторы типа р—п—р.

Рис. 4.1. Конструкция плоскостного транзистора и изображение транзисторов на схемах

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область — эмиттером, другая — коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода: эмиттерный — между эмиттером и базой и коллекторный — между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть не более (0,1…2) мкм, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Токи в выводах базы, эмиттера и кол­лектора обозначают соответственно I_Б, I_Э и I_К. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например, напряжение между базой и эмит­тером — U_БЭ, между коллектором и базой — U_КБ для п—р—п транзистора. На схематических изображениях транзисторов п—р—п и р—п—р стрелка показывает направление тока (условное, от плюса к минусу) в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Транзистор может работать в четырех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. Работа в активном режиме происходит в том случае, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном — обратное. При противоположных напряжениях транзистор работает в инверсном режиме. Режим отсечки достигается подачей обратных напряжений на оба перехода. Если же на обоих переходах прямое напряжение, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки и насыщения характерны для импульсной работы транзистора.

4.2. Физические процессы в транзисторе

Рассмотрим прежде всего, как работает п—р—п транзистор в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питаю­щих напряжений U_БЭ и U_КЭ (рис. 4.2,а). Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе — обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормаль­ного тока в этом переходе достаточно напряжения U_БЭ в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико, а напряжение U_БК обычно состав­ляет единицы или десятки вольт. Из схемы на рис. 4.2,а видно, что напряже­ния между электродами транзистора связаны простой зависимостью:

U_КЭ = U_КБ + U_БЭ . (4.1)

При работе транзистора в активном режиме обычно всегда U_БЭ « U_КБ и, следовательно, U_КЭ ≈ U_КБ .

Рис. 4.2. Движение электронов и дырок в транзисторах типа n – p – n и p – n – p

При увеличении прямого входного напряжения U_БЭ понижается потенциальный барьер эмиттерного перехода и соответственно возрастает ток эмиттера I_Э через этот переход. Электроны инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проходят сквозь базу в коллекторный переход, увели­чивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружками со знаками « + » и « ─ ». Между ними возникает электри­ческое поле. Оно способствует экстракции через коллекторный переход электронов, пришедших от эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возни­кает ток базы, протекающий в проводе базы. Поскольку ток коллектора получается меньше тока эмит­тера, то в соответствии с первым законом Кирхгофа всегда существует следую­щее соотношение между токами:

I_Э = I_К + I_Б . (4.2)

Обычно I_Б составляет (1-2)% от тока эмиттера, т. е. I_Б « I_Э , и, следовательно, ток коллектора лишь незначительно меньше тока эмит­тера, т. е. можно считать I_К ≈ I_Э. Именно для того, чтобы ток I_Б был как можно меньше, базу делают очень тонкой.

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный пе­реход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо боль­ше, чем рассеиваемая в эмиттерном.

Подобные же процессы происходят в транзисторе типа р—п—р, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов (рис. 4.2,б).

Ток эмиттера управ­ляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током I_К.упр, так как часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбинирует. Поэтому:

I_К.упр = α I_Э , (4.3)

где α — коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; он может иметь значения от 0,97 до 0,998.

Чем слабее рекомбинация инжектированных носителей в базе, тем ближе α к 1. Через коллекторный переход всегда проходит еще очень небольшой (не более единиц микроампер) неуправляемый обратный ток I_К0 (рис. 4.3), называемый начальным обратным током коллектора. Он неуправляем потому, что не проходит через эмиттерный переход и резко зависит от температуры. Таким образом, полный коллекторный ток:

I_К = α I_Э + I_К0 . (4.4)

Рис. 4.3. Токи в транзисторе

Обычно I_К0 « I_Э и можно считать, что I_К ≈ α I_{Э .} Если надо изме­рить I_К0, то это делают при оборванном проводе эмиттера.

Преобразуем выражение (4.4) так, чтобы выразить за­висимость тока I_К от тока базы I_Б. Заменим I_Э суммой I_К + I_Б :

I_К = α(I_К + I_Б)+ I_К0 .

Решая это уравнение относительно I_К , получим:

Обозначим:

и (4.5) и (4.6)

и напишем окончательное выражение:

I_К =βI_Б + I_КЭ0 . (4.7)

Здесь β является коэффициентом усиления тока базы и составляет десятки и сотни единиц. Например, если α = 0,98, то:

,

а если коэффициент α= 0,99, т. е. увеличился на 0,01, то: ,

т. е. β увеличивается в 2 с лишним раза.

Таким образом, незначительные изменения α приводят к большим изме­нениям β. Коэффициент β так же, как и α, относится к основным параметрам транзистора. Если известен β, то можно всегда определить α по формуле:

. (4.8)

Ток I_КЭ0 называют начальным сквозным током, так как он протекает сквозь весь транзистор в том случае, если I_Б = 0, т. е. оборван провод базы. Этот ток составляет десятки или сотни микроампер и значительно превосходит начальный ток коллектора

I_К0. Ток I_КЭ0 = I_К0/(1-α), и, зная, что α/(1-α) = β, нетрудно найти:

I_КЭ0 = (β+1) I_{К0 .} (4-9)

Значительный ток I_КЭ0 объясняется тем, что некоторая небольшая часть напряжения U_КЭ приложена к эмиттерному переходу в качестве прямого напря­жения. Вследствие этого возрастает ток эмиттера, а он в данном случае и является сквозным током.