Биполярные транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru

Лекция 4

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника с чередующимися типами проводимости: n-p-n или p-n-p (на рис 1.19 приведена структура биполярного транзистора типа n-p-n). На границах слоев с разным типом проводимости образуются два встречновключенных p-n-перехода (эмиттерный и коллекторный), потенциальные барьеры которых создаются ионизированными атомами примесей (“+” и “-“ на рис. 1.19). У реального транзистора один из крайних слоев (эмиттер) имеет гораздо большую концентрацию примеси по сравнению с другим крайним слоем и является источником подвижных носителей заряда, тогда как второй крайний слой (коллектор) отличается гораздо большей площадью p-n-перехода, что позволяет ему более эффективно собирать носители заряда, инжектированные эмиттером и прошедшие средний слой, называемый базой. Чтобы уменьшить в базе вероятность рекомбинации носителей заряда,

перемещающихся из эмиттера в коллектор, базу делают сравнительно высокоомной (с низкой концентрацией примеси) и узкой.

В зависимости от полярности внешних источников питания различают четыре режима работы биполярного транзистора: активный режим, режим двойной инжекции, режим отсечки и инверсный режим. В активном режиме работы (рис.1.20,а) напряжение между эмиттером и базой () является прямым, а между коллектором и базой () - обратным, поэтому эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Под действием прямого напряжения основные носители заряда (здесь - электроны) из эмиттера переходят в базу, где они становятся неосновными носителями, для которых закрытый коллекторный переход не является препятствием, поэтому они свободно переходят в коллектор, создавая во внешней цепи коллекторный ток (направление положительного тока противоположно движению электронов), при этом только очень небольшая часть носителей заряда успевает рекомбинировать в базе, образуя основную составляющую тока базы . Другая составляющая () образуется неосновными носителями (дырками) коллектора (собственные неосновные носители заряда базы не играют существенной роли, поскольку их в высокоомной базе немного). Этот небольшой ток протекает также и в коллекторной цепи в составе тока :

. (1.2)

В выражении (1.2) коэффициент передачи тока эмиттера показывает какая часть приращения тока эмиттера передается в коллектор:

.

Учитывая, что ток эмиттера равен сумме токов коллектора и базы, т.е.

, (1.3)

выражение для тока базы можно записать в таком виде:

.

Поскольку , ток базы составляет только незначительную часть тока эмиттера.

Закрытый коллекторный переход имеет сравнительно большую ширину и расположен преимущественно в базе как более высокоомном слое. Поэтому увеличение обратного напряжения приводит к уменьшению эффективной ширины базы, что, во-первых, уменьшает вероятность рекомбинации носителей в базе, а во-вторых, понижает потенциальный барьер эмиттерного перехода (основные носители заряда базы сдвигаются в сторону эмиттерного перехода, частично нейтрализуя заряды ионов p-n-перехода). Изменение ширины базы и ее свойств под действием обратного коллекторного напряжения называется эффектом модуляции ширины базы (эффектом Эрли).

Изменяя в небольших пределах напряжение , можно значительно изменять ток эмиттера , а значит, и ток коллектора , т.е. управлять большой мощностью в выходной цепи (напряжение в активном режиме может быть большим), затрачивая сравнительно небольшую мощность во входной цепи (цепи эмиттер-база) - в этом и проявляются усилительные свойства биполярного транзистора.

В режиме двойной инжекции (режиме насыщения) напряжения и прямые (рис. 1.20,б) и оба p-n-перехода открыты, при этом крайние слои выполняют как функции эмиттеров, инжектируя носители заряда (здесь - электроны) в базу, так и функции коллекторов, собирая носители заряда, прошедшие базу. Обозначив ток, образованный электронами эмиттера, через , а ток, образованный электронами коллектора, через , запишем выражения для внешних токов:

, (1.4)

где - инверсный коэффициент передачи тока.

Поскольку структура реального биполярного транзистора асимметрична (площадь коллекторного перехода больше площади эмиттерного перехода, а слой коллектора высокоомнее слоя эмиттера), . При равенстве внешних напряжений составляющие тока коллектора примерно равны, поэтому близок к нулю. При уменьшении прямого напряжения от значения модуль составляющей уменьшается, поэтому увеличивается ток , причем резко, поскольку он равен разности двух составляющих. Подстановка (1.4) в (1.3) дает следующее выражение для тока базы:

, (1.5)

подтверждающее тот факт, что базовый ток в режиме двойной инжекции равен сумме двух токов рекомбинации.

В режиме отсечки оба p-n-перехода закрыты под действием обратных напряжений и , вследствие чего через переходы протекают только небольшие неуправляемые токи неосновных носителей заряда.

Если к коллекторному переходу приложить прямое напряжение, а к эмиттерному обратное, то поменяются роли у коллектора и эмиттера (инверсный режим работы), и транзистор будет работать в активном режиме, но не так эффективно из-за конструктивной асимметрии транзистора.

Биполярные транзисторы подразделяются на диффузионные и дрейфовые. В названиях “диффузионные” и “дрейфовые” отражается механизм движения носителей заряда через базу: диффузия под действием градиента концентрации носителей заряда и дрейф под действием градиента электрического потенциала. У дрейфовых транзисторов за счет неравномерной концентрации примеси в базе создается электрическое поле, ускоряющее движение носителей заряда через базу, что увеличивает коэффициент передачи эмиттерного тока и граничную частоту. В микросхемах в основном используются дрейфовые транзисторы.

Биполярный транзистор описывается семействами входных и выходных вольт-амперных характеристик, т.е. зависимостями входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении и зависимостями выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе. Для схемы с общей базой, когда входной и выходной источники напряжения имеют общий зажим на базе (рис. 1.20,а и б) семейства входных и выходных ВАХ, т.е.

,

приведены на рис. 1.20,в и г. Вне зависимости от типа транзистора (n-p-n или p-n-p), т.е. вне зависимости от истинной полярности входных и выходных напряжений, основную часть характеристик размещают в первом квадранте, откладывая справа от оси токов значения прямых напряжений (входные ВАХ) и значения обратных напряжений (выходные ВАХ).

Входная характеристика при (коллекторный переход закорочен) - это характеристика диода, составленного из эмиттерного p-n-перехода и соответствующих областей полупроводника. При подаче на коллекторный переход обратного напряжения база сужается и потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается (эффект модуляции ширины базы), поэтому эмиттерный ток увеличивается при неизменном напряжении , что и является причиной смещения входной ВАХ влево относительно характеристики при . Дальнейшее увеличение обратного напряжения смещает входную ВАХ незначительно.

Активному режиму работы транзистора соответствуют участки выходных ВАХ (рис. 1.20,г), расположенные в первом квадранте, где наблюдается только слабая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения, вызванная модуляцией ширины базы (при увеличении обратного напряжения база сужается, вероятность рекомбинации носителей заряда в базе уменьшается, уменьшается и ток базы, что при неизменном токе приводит, согласно (1.3), к увеличению тока коллектора ). При подаче прямого напряжения (влево от начала координат) транзистор переходит в режим двойной инжекции, когда коллекторный ток, как это следует из (1.4), равен разности двух токов, что объясняет его резкую зависимость от прямого напряжения . При протекает, как это видно из (1.2), очень незначительный тепловой ток (режим отсечки). В случае больших обратных напряжений возможен электрический пробой коллекторного перехода, а если мощность, рассеиваемая транзистором, превысит допустимую, может произойти тепловое разрушение транзистора.

Если входной и выходной источники напряжения имеют общий зажим на эмиттере транзистора (схема с общим эмиттером на рис. 1.21,а), то входным током является ток базы , а выражение коллекторного тока как функции тока базы можно получить, выполнив подстановку (1.3) в (1.2):

.

Здесь - коэффициент передачи базового тока; - начальный ток коллектора при , он значительно больше тока , протекающего через коллекторный переход при нулевом токе эмиттера.

Резкая зависимость тока коллектора от напряжения при малых значениях (рис. 1.21,д) вызвана тем, что на этом начальном участке транзистор работает в режиме двойной инжекции, поскольку как к эмиттерному, так и к коллекторному переходам (в последнем случае через источник ) приложено прямое напряжение . На пологом участке ВАХ (в активном режиме) зависимость от вызвана эффектом модуляции ширины базы, причем этот эффект в схеме с общим эмиттером выражен сильнее (больший наклон ВАХ), что можно объяснить следующим образом. При увеличении обратного напряжения , приложенного к коллекторному переходу через источник , база транзистора сужается, увеличивается ток эмиттера , а ток базы уменьшается. Поскольку характеристики снимаются при фиксированном токе базы, чтобы восстановить прежнее значение , требуется еще более увеличить ток , а это, согласно выражению (1.3), приводит к увеличению тока коллектора.

Поскольку при транзистор работает в режиме двойной инжекции, ток базы в этом режиме, согласно (1.5), больше тока базы при работе транзистора в активном режиме, поэтому входная характеристика при обратном проходит правее характеристики, снятой при (рис. 1.21,г). Эффект модуляции ширины базы при дальнейшем увеличении обратного напряжения проявляется слабо, поэтому все входные характеристики, снятые при обратных напряжениях , располагаются близко друг от друга.

Схемы, в которых используются транзисторы, анализируются на постоянном и переменном токе раздельно. При анализе на постоянном токе биполярный транзистор представляется в виде нелинейной физической модели Молла-Эберса, а при анализе на переменном токе, когда транзисторы работают в активном режиме, - в виде малосигнальной эквивалентной схемы (моделирующей схемы), изображенной на рис. 1.22. В этой схеме - дифференциальное сопротивление открытого эмиттерного перехода; - сумма сопротивлений активной и пассивной областей базы (= 1…200 Ом); - барьерная емкость коллекторного перехода (= 0,1…800 пФ); - дифференциальное сопротивление закрытого коллекторного перехода, моделирующее влияние на ток через эффект модуляции ширины базы (= 50…10000 кОм). Генератор тока моделирует процесс управления коллекторным током со стороны тока эмиттера ( и - малые приращения соответствующих токов и ). Зависимость от частоты описывается выражением

(1.6)

биполярный транзистор напряжение ток

и вызвана тем фактом, что перемещение носителей заряда через базу происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени. В формуле (1.6) коэффициент в числителе измеряется на достаточно низкой частоте (), где он максимален. С увеличением частоты коэффициент уменьшается и на частоте становится равным . Граничная частота коэффициента передачи эмиттерного тока у разных типов биполярных транзисторов разная (от нескольких килогерц до нескольких гигагерц). Широкий диапазон приведенных выше значений параметров объясняется широкой номенклатурой биполярных транзисторов, различающихся по мощности (малой, средней, большой) и граничной частоте (низкой, высокой, сверхвысокой).

Размещено на Allbest.ru