Биполярные транзисторы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий один или несколько электронно-дырочных переходов, три или более выводов и предназначенный для усиления мощности электрических сигналов.

1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор (БТ) представляет собой p-n-p -или n-p-n -структуру, полученную в монокристалле полупроводника, в котором созданы три области, чередующиеся по типу проводимости (рис. 2.1,а).

Среднюю область называют базой Б, а крайние области -- эмиттером Э и коллектором К. Области эмиттера, коллектора и базы снабжены выводами, с помощью которых транзистор включается в электрическую цепь.

Переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, образованный коллектором и базой, коллекторным (КП). На каждый из переходов транзистора можно подать прямое или обратное смещение. При прямом смещении ЭП из эмиттера инжектируются в базу неосновные для нее носители, а коллектор при наличии на КП обратного напряжения производит экстракцию носителей, которые прошли к нему через базовую область. В биполярном транзисторе концентрация примесей в эмиттере на несколько порядков выше концентрации примесей в базе, т.е. ЭП -- односторонний. Концентрация примесей в коллекторе может быть такой же, как и в эмиттере (сплавной транзистор), или примерно такой же, как в базе (планарный транзистор). Обычно у транзистора площадь КП больше площади ЭП, что позволяет на коллекторе собирать большую часть носителей, инжектированных в базу. В зависимости от механизма прохождения носителей заряда в области базы различают бездрейфовые и дрейфовые транзисторы.

В бездрейфовых транзисторах перенос неосновных носителей заряда через базовую область обусловлен диффузией. В дрейфовых транзисторах путем специального распределения примесей в области базы создается внутреннее электрическое поле, и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется как посредством дрейфа, так и диффузии. Большинство современных транзисторов являются дрейфовыми. Однако для упрощения объяснения принципов работы мы будем рассматривать бездрейфовые.

В технической документации, а также при изображении электрических схем для биполярных транзисторов следует применять условные обозначения, приведенные на рис.2.1,б.

Рассмотрим принцип работы транзистора n-p-n -типа. Транзистор может быть использован в следующих режимах: оба n-p -перехода смещены в обратном направлении (режим отсечки); оба перехода смещены в прямом направлении (режим насыщения); эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный - в обратном (активный режим).

В активном режиме работы (рис. 2.2) потенциальный барьер в ЭП снижается, а ширина обедненного слоя уменьшается потенциальный барьер в КП, а ширина обедненного слоя увеличивается. Через эмиттерный переход в базу осуществляется инжекция электронов. Уровень инжекции определяется отношением концентрации инжектированных электронов к их равновесной концентрации в базе.

Ширина базы W₆ в транзисторах выбирается такой, что W_б<<L_n, где L_n - среднее расстояние, на которое диффундируют неравновесные электроны за время их жизни - диффузионная длина. Поэтому подавляющее большинство электронов, инжектированных эмиттером, достигает коллектора, не успев рекомбинировать с дырками базы. У современных кремниевых транзисторов ширина базы W₆ ? 1 мкм, тогда как диффузионная длина для электронов в кремнии составляет 5+10 мкм. Вблизи КП электроны попадают в его ускоряющее поле и втягиваются в коллектор.

В бездрейфовых транзисторах база должна быть электрически нейтральной. Из-за частичной рекомбинации электронов и дырок нейтральность базы нарушается. Для ее восстановления, т.е. для восполнения положительного заряда дырок, в установившемся режиме работы от источника напряжения U_эб в базу вводится необходимое число дырок, которые образуют рекомбинационный ток базы. Физически это соответствует оттоку избытка электронов к источнику U_эб. Кроме того, в цепи базы протекает ток I_кб0 являющийся обратным током КП.

Ток Iк, текущий через КП, зависит от тока ЭП. Ток базы Iб=Iэ-Iк

2. Характеристики и параметры БТ в режиме малых сигналов

Для исследования свойств транзистора приложим входное напряжение и измерим выходной ток как функцию выходного напряжения . Путем ступенчатого повышения входного напряжения получим семейство выходных характеристик (рис.2.4).

Особенностью транзистора является тот факт, что коллекторный ток мало изменяется после достижения определенного значения. Напряжение, при котором характеристика имеет изгиб, называется напряжением насыщения.

Другой особенностью является то, что малого изменения входного напряжения оказывается достаточно для того, чтобы вызвать относительно большое изменение коллекторного тока. Это видно на передаточной характеристике, изображенной на рис. 2.3, которая представляет собой зависимость от; при этом варьируется как параметр. Известно, что передаточная характеристика транзистора, как и диода, имеет вид экспоненциальной функции. Однако в отличие от формулы (1.1) поправочный коэффициент т в этом случае с большой точностью равен единице. Тогда

, (2.1)

так что больше обратного тока .

Часто транзистор можно рассматривать как линейный усилитель. Это справедливо в рабочей точке , , в окрестности которой осуществляется управление малым сигналом. При расчете схем характеристика заменяется касательной в рабочей точке. Увеличение тангенса угла наклона касательной означает увеличение дифференциального параметра (параметра малого сигнала).

Изменение коллекторного тока в зависимости от характеризуется крутизной S:

Эту величину можно рассчитать, используя выражение (2.1):

(2.2)

Таким образом, крутизна пропорциональна коллекторному току и не зависит от индивидуальных свойств каждого транзистора. Поэтому для ее определения не требуется измерений.

Зависимость коллекторного тока от напряжения коллектор-эмиттер характеризуется дифференциальным выходным сопротивлением

Из рис. 2.4 видно, что с увеличением коллекторного тока оно уменьшается, так как наклон характеристики увеличивается. С высокой точностью сопротивление обратно пропорционально т.е.

Коэффициент пропорциональности называется напряжением Эрли. Его можно определить, измерив . Тогда несложно рассчитать выходное сопротивление для любого коллекторного тока. Типовое значение находится в пределах 80-200 В для п-р-n-транзисторов и 40-150 В для p-n-p-транзисторов.

В отличие от электронной лампы входной ток транзистора не равен нулю. Для описания входной цепи транзистора как нагрузки, соединенной с входным источником напряжения, вводят дифференциальное входное сопротивление

Его можно определить по входной характеристике , приведенной на рис. 2.5.

Эта характеристика, как и передаточная характеристика (рис. 2.3), описываете экспоненциальной функцией. Таким образом, коллекторный ток пропорционален базовому току. Коэффициент пропорциональности называют коэффициентом статического усиления по току. Однако пропорциональность имеет место только в ограниченной области тока, так как В зависит от . Эта зависимость показана на рис. 2.6. Дифференциальный коэффициент усиления по току в рабочей точке определяется выражением

Зависимость этой величины от тоже представлена на рис. 2.6.

биполярный транзистор сигнал ток

У мощных транзисторов максимум коэффициента усиления соответствует диапазону токов, измеряемых в амперах, а абсолютное его значение значительно ниже, чем у маломощных транзисторов. Зная в и крутизну, можно рассчитать входное сопротивление

В координатах рис. 2.5 можно изобразить семейство кривых с в качестве параметра. Однако зависимость от так незначительна, что кривые практически совпадают. При малых сигналах эта зависимость характеризуется коэффициентом обратной передачи по напряжению и обратной крутизной:

,

при

При малых коллекторных токах коэффициент обратной передачи по напряжению положителен, при больших - отрицателен. Абсолютное значение его не превышает . Поэтому влиянием обратной передачи практически можно пренебречь. При высоких частотах обратную передачу все же приходится учитывать. Ее же следует принимать во внимание при рассмотрении влияния емкости перехода коллектор-база.

3. Способы включения и принцип работы биполярного транзистора

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Эти схемы показаны соответственно на рис. 4.5,а, б и в.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входных, выходных, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Для расчета большинства транзисторных схем достаточно иметь входные и выходные характеристики транзистора. Однако иногда используется еще и характеристика прямой передачи, которая для схемы с ОЭ отражает зависимость I_k = ѓ(U_бэ)Рu_кэ=const (рис. 2.3)

Рассмотрим работу n-p-n транзистора, включенного по схеме с ОЭ (рис.2.8)

Во всех схемах можно n-p-n транзисторы заменить на p-n-p транзисторы, поменяв одновременно полярность питающих напряжений и электролитических конденсаторов.

Параметром, который можно положить в основу рассмотрения, является напряжение база-эмиттер в рабочей точке Uбэа, составляющее для кремниевых транзисторов примерно 0,6В (для германиевых - примерно 0,4В).

Для анализа схемы создадим генератором такое напряжение Uд, чтобы на входе напряжение U_вх 0,6В, а ток коллектора был порядка миллиампер.

Если входное напряжение повысить на небольшую величину U_вх, то коллекторный ток увеличится (рис.2.3 и 2.4). Поскольку выходные характеристики проходят почти горизонтально, можно сделать допущение о том, что ток I_к зависит только от U_бэ, но не зависит от U_кэ. Тогда увеличение I_к составит:

I_к S U_бэ = S U_вх

Так как коллекторный ток источника напряжения U_кк протекает через сопротивление R_к, то падение напряжения на R_к тоже повысится, и выходное напряжение U_вых изменится на величину:

U_вых = -I_к R_к -S R_к U_вх

Таким образом, схема обеспечивает коэффициент усиления по напряжению

А=U_вых/U_вх -SR_k = -I_kR_k/ц_г,

который пропорционален падению напряжения на коллекторном сопротивлении R_k.

Усилительные свойства транзисторов широко используют в полупроводниковой схемотехнике для построения источников тока, дифференциальных усилителей и т.п.

Библиографический список

1. Каган Б.М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. Пособие для вузов. 3-еизд.,перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1991. 592 с. : ил.

2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю.И.Волощенко, Ю.Ю.Мартюшев, И.Н.Никитина и др.; Под ред. Г.Д.Петрухина. М.: Изд-во МАИ, 1993. 416 с.: ил.

3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем. М.: Мир, 1982. 512 с., ил.

4. Алексенко А.Г. Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1990. 496 с.: ил.

5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ. 4-е изд. Перераб. и доп. М.: Мир, 1993. ил.

Размещено на Allbest.ru