Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

Как уже говорилось в статье о типах проводимости в полупроводниках, в веществе P-типа находятся положительно заряженные ионы — дырки. Вещество N-типа насыщено отрицательно заряженными электронами. В транзисторе концентрация электронов в области N значительно превышает концентрацию дырок в области P.

Подключим источник напряжения между коллектором и эмиттером V_КЭ (V_CE). Под его действием, электроны из верхней N части начнут притягиваться к плюсу и собираться возле коллектора. Однако ток не сможет идти, потому что электрическое поле источника напряжения не достигает эмиттера. Этому мешает толстая прослойка полупроводника коллектора плюс прослойка полупроводника базы.

Теперь подключим напряжение между базой и эмиттером V

BE, но значительно ниже чем V_CE (для кремниевых транзисторов минимальное необходимое V_BE — 0.6V). Поскольку прослойка P очень тонкая, плюс источника напряжения подключенного к базе, сможет «дотянуться» своим электрическим полем до N области эмиттера. Под его действием электроны направятся к базе. Часть из них начнет заполнять находящиеся там дырки (рекомбинировать). Другая часть не найдет себе свободную дырку, потому что концентрация дырок в базе гораздо ниже концентрации электронов в эмиттере.

В результате центральный слой базы обогащается свободными электронами. Большинство из них направится в сторону коллектора, поскольку там напряжение намного выше. Так же этому способствует очень маленькая толщина центрального слоя. Какая-то часть электронов, хоть гораздо меньшая, все равно потечет в сторону плюса базы.

В итоге мы получаем два тока: маленький — от базы к эмиттеру I_BE, и большой — от коллектора к эмиттеру I_CE.

Если увеличить напряжение на базе, то в прослойке P соберется еще больше электронов. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы I_B, сильно меняется ток коллектора I

С. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Cоотношение тока коллектора I_С к току базы I_B называется коэффициентом усиления по току. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

β = I_C / I_B

Простейший усилитель на биполярном транзисторе

Рассмотрим детальнее принцип усиления сигнала в электрической плоскости на примере схемы. Заранее оговорюсь, что такая схема не совсем правильная. Никто не подключает источник постоянного напряжения напрямую к источнику переменного. Но в данном случае, так будет проще и нагляднее для понимания самого механизма усиления с помощью биполярного транзистора. Так же, сама техника расчетов в приведенном ниже примере носит несколько упрощенный характер.

1.Описание основных элементов цепи

Итак, допустим в нашем распоряжении транзистор с коэффициентом усиления 200 (β = 200). Со стороны коллектора подключим относительно мощный источник питания в 20V, за счет энергии которого будет происходить усиление. Со стороны базы транзистора подсоединим слабый источник питания в 2V. К нему последовательно подсоединим источник переменного напряжения в форме синуса, с амплитудой колебаний в 0.1V. Это будет сигнал, который нужно усилить. Резистор Rb возле базы необходим для того, чтобы ограничить ток, идущий от источника сигнала, обычно обладающего слабой мощностью.

2. Расчет входного тока базы I_b

Теперь посчитаем ток базы I_b. Поскольку мы имеем дело с переменным напряжением, нужно посчитать два значения тока – при максимальном напряжении (V_max) и минимальном (V_min). Назовем эти значения тока соответственно — I_bmax и I_bmin.

Также, для того чтобы посчитать ток базы, необходимо знать напряжение база-эмиттер V_BE. Между базой и эмиттером располагается один PN-переход. Получается, что ток базы «встречает» на своем пути полупроводниковый диод. Напряжение, при котором полупроводниковый диод начинает проводить — около 0.6V. Не будем вдаваться в подробности вольт-амперных характеристик диода, и для простоты расчетов возьмем приближенную модель, согласно которой напряжение на проводящем ток диоде всегда 0.6V. Значит, напряжение между базой и эмиттером V

BE = 0.6V. А поскольку эмиттер подключен к земле (V_E = 0), то напряжение от базы до земли тоже 0.6V (V_B = 0.6V).

Посчитаем I_bmax и I_bmin с помощью закона Ома:

2. Расчет выходного тока коллектора I_С

Теперь, зная коэффициент усиления (β = 200), можно с легкостью посчитать максимальное и минимальное значения тока коллектора ( I

cmax и I_cmin).

3. Расчет выходного напряжения V_out

Осталось посчитать напряжение на выходе нашего усилителя V_out. В данной цепи — это напряжение на коллекторе V_C.

Через резистор Rc течет ток коллектора, который мы уже посчитали. Осталось подставить значения:

4. Анализ результатов

Как видно из результатов, V_Cmax получился меньше чем V_Cmin. Это произошло из-за того, что напряжение на резисторе V_Rc отнимается от напряжения питания VCC. Однако в большинстве случаев это не имеет значения, поскольку нас интересует переменная составляющая сигнала – амплитуда, которая увеличилась c 0.1V до 1V. Частота и синусоидальная форма сигнала не изменились. Конечно же, соотношение V

out/V_in в десять раз — далеко на самый лучший показатель для усилителя, однако для иллюстрации процесса усиления вполне подойдет.

Итак, подытожим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе. Через базу течет ток I_b, несущий в себе постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая нужна для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером начал проводить – «открылся». Переменная составляющая – это, собственно, сам сигнал (полезная информация). Сила тока коллектор-эмиттер внутри транзистора – это результат умножения тока базы на коэффициент усиления β. В свою очередь, напряжение на резисторе Rc над коллектором – результат умножения усиленного тока коллектора на значение резистора.

Таким образом, на вывод V_out поступает сигнал с увеличенной амплитудой колебаний, но с сохранившейся формой и частотой. Важно подчеркнуть, что энергию для усиления транзистор берет у источника питания VCC. Если напряжения питания будет недостаточно, транзистор не сможет полноценно работать, и выходной сигнал может получится с искажениями.

Режимы работы биполярного транзистора

В соответствии уровням напряжения на электродах транзистора, различают четыре режима его работы:

• Режим отсечки (cut off mode).
• Активный режим (active mode).
• Режим насыщения (saturation mode).
• Инверсный ражим (reverse mode ).

Режим отсечки

Когда напряжение база-эмиттер ниже, чем 0.6V — 0.7V, PN-переход между базой и эмиттером закрыт. В таком состоянии у транзистора отсутствует ток базы. В результате тока коллектора тоже не будет, поскольку в базе нет свободных электронов, готовых двигаться в сторону напряжения на коллекторе. Получается, что транзистор как бы заперт, и говорят, что он находится в режиме отсечки.

Активный режим

В активном режиме напряжение на базе достаточное, для того чтобы PN-переход между базой и эмиттером открылся. В этом состоянии у транзистора присутствуют токи базы и коллектора. Ток коллектора равняется току базы, умноженном на коэффициент усиления. Т.е активным режимом называют нормальный рабочий режим транзистора, который используют для усиления.

Режим насыщения

Иногда ток базы может оказаться слишком большим. В результате мощности питания просто не хватит для обеспечения такой величины тока коллектора, которая бы соответствовала коэффициенту усиления транзистора. В режиме насыщения ток коллектора будет максимальным, который может обеспечить источник питания, и не будет зависеть от тока базы. В таком состоянии транзистор не способен усиливать сигнал, поскольку ток коллектора не реагирует на изменения тока базы.

В режиме насыщения проводимость транзистора максимальна, и он больше подходит для функции переключателя (ключа) в состоянии «включен». Аналогично, в режиме отсечки проводимость транзистора минимальна, и это соответствует переключателю в состоянии «выключен».

Инверсный режим

В данном режиме коллектор и эмиттер меняются ролями: коллекторный PN-переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. В результате ток из базы течет в коллектор. Область полупроводника коллектора несимметрична эмиттеру, и коэффициент усиления в инверсном режиме получается ниже, чем в нормальном активном режиме. Конструкция транзистора выполнена таким образом, чтобы он максимально эффективно работал в активном режиме. Поэтому в инверсном режиме транзистор практически не используют.

Основные параметры биполярного транзистора.

Коэффициент усиления по току – соотношение тока коллектора I_С к току базы I_B. Обозначается β, hfe или h31e, в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзисторов.

β — величина постоянная для одного транзистора, и зависит от физического строения прибора. Высокий коэффициент усиления исчисляется в сотнях единиц, низкий — в десятках. Для двух отдельных транзисторов одного типа, даже если во время производства они были “соседями по конвейеру”, β может немного отличаться. Эта характеристика биполярного транзистора является, пожалуй, самой важной. Если другими параметрами прибора довольно часто можно пренебречь в расчетах, то коэффициентом усиления по току практически невозможно.

Входное сопротивление – сопротивление в транзисторе, которое «встречает» ток базы. Обозначается R_in (R_вх). Чем оно больше — тем лучше для усилительных характеристик прибора, поскольку со стороны базы обычно находиться источник слабого сигнала, у которого нужно потреблять как можно меньше тока. Идеальный вариант – это когда входное сопротивление равняется бесконечность.

R_вх для среднестатистического биполярного транзистора составляет несколько сотен КΩ (килоом). Здесь биполярный транзистор очень сильно проигрывает полевому транзистору, где входное сопротивление доходит до сотен ГΩ (гигаом).

Выходная проводимость — проводимость транзистора между коллектором и эмиттером. Чем больше выходная проводимость, тем больше тока коллектор-эмиттер сможет проходить через транзистор при меньшей мощности.

Также с увеличением выходной проводимости (или уменьшением выходного сопротивления) увеличивается максимальная нагрузка, которую может выдержать усилитель при незначительных потерях общего коэффициента усиления. Например, если транзистор с низкой выходной проводимостью усиливает сигнал в 100 раз без нагрузки, то при подсоединении нагрузки в 1 КΩ, он уже будет усиливать всего в 50 раз. У транзистора, с таким же коэффициентом усиления, но с большей выходной проводимостью, падение усиления будет меньше. Идеальный вариант – это когда выходная проводимость равняется бесконечность (или выходное сопротивление R_out = 0 (R_вых = 0)).

Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления транзистора от частоты входящего сигнала. С повышением частоты, способность транзистора усиливать сигнал постепенно падает. Причиной тому являются паразитные емкости, образовавшиеся в PN-переходах. На изменения входного сигнала в базе транзистор реагирует не мгновенно, а с определенным замедлением, обусловленным затратой времени на наполнение зарядом этих емкостей. Поэтому, при очень высоких частотах, транзистор просто не успевает среагировать и полностью усилить сигнал.

Активный режим работы биполярного транзистора

Добавлено 30 сентября 2017 в 15:13

Сохранить или поделиться

Когда транзистор находится в полностью выключенном (закрытом) состоянии (как разомкнутый ключ), говорится, что он в режиме отсечки. И наоборот, когда он полностью проводит ток между эмиттером и коллектором (пропускает ток такой величины, какую могут позволить источник питания и нагрузка), говорится, что он находится в режиме насыщения. Эти два режима работы были изучены ранее при использовании транзистора в качестве ключа.

Однако биполярные транзисторы не должны ограничиваться этими двумя экстремальными режимами работы. Как мы узнали в предыдущем разделе, ток базы «открывает клапан» для ограниченного количества тока через коллектор. Если это ограничение для управляемого тока больше нуля, но меньше максимального значения, разрешенного источником питания и схемой нагрузки, транзистор «удерживает» значение тока коллектора в режиме где-то между режимами отсечки и насыщения. Этот режим работы называется активным режимом.

По аналогии с автомобилем: отсечка – это состояние отсутствия движущей силы, создаваемой механическими частями автомобиля, чтобы заставить его двигаться. В режиме отсечки включается тормоз (нулевой ток базы), предотвращающий движение (ток коллектора). Активный режим – это режим круиз-контроль автомобиля на постоянной контролируемой скорости (постоянный, контролируемый ток коллектора), которую устанавливает водитель. Насыщение – это подъем автомобиля на крутой холм, который мешает ему двигаться так быстро, как пожелает водитель. Другими словами «насыщенный» автомобиль – это автомобиль с полностью вдавленной в пол педалью газа (ток базы допускает протекание тока коллектора, большего, чем может быть обеспечено схемой источника питания и нагрузки).

Давайте соберем схему для моделирования в SPICE, чтобы продемонстрировать, что происходит, когда транзистор находится в активном режиме работы.

Схема для SPICE моделирования «активного режима» (список соединений приведен ниже)

bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 2 0.05 
.plot dc i(vammeter) 
.end 

«Q» – это стандартное буквенное обозначение для транзистора на принципиальной схеме (в России по ГОСТу принято обозначение VT), так же как «R» для резистора, а «C» для конденсатора. В этой схеме у нас есть NPN-транзистор, питаемый от батареи (V₁) и управляемый источником тока (I₁). Источник тока – это устройство, которое выдает заданную величину тока, генерируя такое напряжение на своих выводах, которое необходимо, чтобы обеспечить точную величину тока, протекающего через него. Как известно, источники тока трудно найти в природе (в отличие от источников напряжения, которые, наоборот, пытаются поддерживать постоянное значение напряжения, выдавая необходимое значение тока для выполнения этой задачи), но могут быть смоделированы с помощью небольшого набора электронных компонентов. Как мы сейчас увидим, транзисторы сами имеют тенденцию имитировать поведение, поддерживающее постоянную величину тока, как и источники тока, с помощью своей способности стабилизировать ток на фиксированном значении.

При SPICE моделировании мы установим источник тока в постоянное значение 20 мкА, затем будем изменять напряжение источника напряжения (V1) в диапазоне от 0 до 2 вольт и наблюдать, какой ток будет проходить через него. «Фиктивная» батарея (V_{амперметр}) на рисунке выше с выходным напряжением 0 вольт служит только для того, чтобы предоставить SPICE программе элемент схемы для измерения тока.

Изменение напряжения коллектора от 0 до 2 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА в режиме насыщения

Постоянный ток базы 20 мкА устанавливает предельное значение для тока коллектора в 2 мА, что в точности в 100 раз больше. Обратите внимание, как выравнивается график тока коллектора (на рисунке выше) при изменении напряжения батареи от 0 до 2 вольт. Единственные исключение из этого совершенно ровного графика – в самом начале, когда напряжение батареи увеличивается от 0 до 0,25 вольта. На этом участке ток коллектора быстро растет от 0 до предельных 2 мА.

Посмотрим, что произойдет, если мы будем изменять напряжение батареи в более широком диапазоне, на этот раз от 0 до 50 вольт. Ток базы будем поддерживать на постоянном уровне 20 мкА (рисунок ниже).

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В при постоянном токе базы 20 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 2 мА (список соединений приведен ниже)

bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 20u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2
.plot dc i(vammeter) 
.end 

Тот же результат! Ток коллектора на рисунке выше удерживается точно на значении 2 мА, хотя напряжение (V1) изменяется от 0 до 50 вольт. Из нашего примера моделирования видно, что напряжение коллектор-эмиттер мало влияет на ток коллектора, за исключением очень низких уровней (чуть выше 0 вольт). Транзистор действует как стабилизатор тока, обеспечивая протекание через коллектор тока величиной 2 мА и не более.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем увеличивать управляющий ток (I1) от 20 мкА до 75 мкА, снова изменяя напряжение батареи (V1) от 0 до 50 вольт, и выводя на график значения тока коллектора (рисунок ниже).

Изменение напряжения коллектора от 0 до 50 В (.dc v1 0 50 2) при постоянном токе базы 75 мкА дает в результате постоянный ток коллектора 7,5 мА. Другие графики генерируются при изменении значений тока (i1 15u 75u 15u) в операторе анализа DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u) (список соединений приведен ниже)

bipolar transistor simulation
i1 0 1 dc 75u
q1 2 1 0 mod1
vammeter 3 2 dc 0
v1 3 0 dc
.model mod1 npn
.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u
.plot dc i(vammeter)
.end 

Неудивительно, что SPICE дает нам аналогичный график: прямая линия, закрепившаяся на этот раз на 7,5 мА – ровно в 100 раз больше тока базы – в диапазоне напряжений батареи от чуть выше 0 вольт до 50 вольт. По-видимому, ток базы является решающим фактором для тока коллектора, напряжение батареи V1 не имеет значения, если оно превышает определенный минимальный уровень.

Эта связь между напряжением и током полностью отличается от того, что мы привыкли видеть на резисторе. Для резистора ток увеличивается линейно по мере увеличения напряжения. Здесь, для транзистора, ток от эмиттера к коллектору остается ограниченным на фиксированном максимальном значении независимо от того, насколько сильно увеличивается напряжение между эмиттером и коллектором.

Часто полезно накладывать несколько характеристик зависимости ток коллектора / напряжение для разных токов базы на одном графике, как на рисунке ниже. Набор характеристик, подобный этому (для каждого значения тока базы построен отдельный график), для конкретного транзистора называется выходными характеристиками транзистора:

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером для разных токов базы

Каждая кривая на графике отражает ток коллектора транзистора, построенный для диапазона напряжений коллектор-эмиттер, для заданного значения тока базы. Поскольку транзистор стремится действовать как стабилизатор тока, ограничивая ток коллектора до пропорции, установленной током базы, полезно выразить эту пропорцию в качестве стандартного показателя работы транзистора. В частности, отношения тока коллектора к току базы известно как коэффициент бета (обозначенный греческой буквой β):

\[\beta = {I_{коллектор} \over I_{база}}\]

β также известен как h_fe или h_21э

Иногда коэффициент β обозначается как «h_fe» или «h_21э«, метка, используемая в ветви математического анализа полупроводниковых приборов, известной как «гибридные параметры» или h-параметры, которая стремится достичь точных прогнозов работы транзисторов с помощью подробных уравнений. Переменных гибридных параметром много, но каждый из них обозначается буквой «h» и конкретным индексом. Переменная «h_fe» («h_21э«) представляет собой просто еще один (стандартизированный) способ выражения отношения тока коллектора к току базы и взаимозаменяема с “β”. Коэффициент β является безразмерной величиной.

β для любого транзистора определяется его конструкцией: он не может быть изменен после изготовления. Редко бывает, что β у двух транзисторов одной и той же конструкции точно совпадают из-за различий физических переменных, влияющих на этот коэффициент. Если работа схемы зависит от равенства β у нескольких транзисторов, за дополнительную плату могут быть приобретены «согласованные наборы» транзисторов. Однако, как правило, проектирование с такими зависимостями считается плохой практикой.

β транзистор не остается одинаковым во всех условиях эксплуатации. Для реального транзистора коэффициент β может изменяться в 3 раза в пределах его рабочих токов. Например, транзистор с объявленным значением β, равным 50, в реальных тестах отношения I_к/I_б может дать значения от 30 до 100, в зависимости от величины тока коллектора, температуры транзистора, частоты усиливаемого сигнала и других факторов. Для целей обучения для любого заданного транзистора достаточно принимать коэффициент β постоянным; и понимать, что реальная жизнь не так проста!

Иногда для понимания полезно «моделировать» сложные электронные компоненты с помощью набора более простых и понятных компонентов. Модель на рисунке ниже используется во многих вводных текстах по электронике.

Простая диодно-резисторная модель транзистора

Эта модель отображает транзистор как комбинацию диода и реостата (переменного резистора). Ток через диод база-эмиттер управляет сопротивлением реостата коллектор-эмиттер (как подразумевается пунктирной линией, соединяющей два компонента), тем самым контролируя ток коллектора. На рисунке приведена модель NPN-транзистора, но PNP-транзистор будет отличаться не сильно (будет изменено только направление диода база-эмиттер). Эта модель преуспевает в пояснении базовой концепции усиления транзистора: как сигнал тока базы может осуществлять управление током коллектора. Однако мне эта модель не нравится, потому что она неверно передает понятие установленного значения сопротивления коллектор-эмиттер для заданного значения тока базы. Если бы она была верна, транзистор не стабилизировал бы ток коллектора, как показывают графики выходных характеристик. Вместо характеристик тока коллектора, выровненных на графике после быстрого роста по мере увеличения напряжения коллектор-эмиттер, ток коллектора продолжал бы расти прямо пропорционально напряжению коллектор-эмиттер, и мы бы увидели на графике неуклонно растущие прямые.

В более продвинутых учебниках часто встречается более подходящая модель транзистора (рисунок ниже).

Модель транзистора на основе источника тока

Она отображает транзистор в виде комбинации диода и источника тока, причем выход источника тока задается умножением тока базы на коэффициент β. Эта модель гораздо более точна при отображении истинных входных/выходных характеристик транзистора: ток базы устанавливает определенное значение тока коллектора, а не определенное сопротивление коллектор-эмиттер, как предполагает первая модель. Кроме того, эта модель предпочтительна при проведении анализа транзисторных схем, причем источник тока является хорошо понятным теоретическим компонентом. К сожалению, использование источника тока для моделирования контролирующего ток поведения транзистора может вводить в заблуждение: транзистор никогда не будет служить источником электрической энергии. Источник тока не моделирует тот факт, что его источником энергии является внешний источник питания, как у усилителя.

Подведем итоги:

• Говорят, что транзистор находится в активном режиме, если он работает где-то между полностью открытым режимом (насыщение) и полностью закрытым режимом (отсечка).
• Ток базы регулирует ток коллектора. Под регулированием мы подразумеваем, что ток коллектора не может превышать значение, которое устанавливаемое током базы.
• Отношение между током коллектора и током базы называется «бета» (β) или h_fe или h_21э.
• Коэффициенты β у всех транзисторов различны; β изменяется в зависимости от условий эксплуатации.

Оригинал статьи:

Теги

Активный режимБиполярный транзисторРежим насыщенияРежим отсечкиУчебникЭлектроника

Сохранить или поделиться

Биполярный транзистор и принцип его работы, режимы и схемы, особенности переходов

На определённом этапе времени всем привычные электронные лампы были заменены транзисторами. И это не удивительно, поскольку они имеют гораздо меньший размер, более надёжные и затрачивают гораздо меньше энергии. Такое большое количество положительных сторон привело к тому, что на сегодняшний день биполярные транзисторы являются главными элементами практически всех усилительных схем.

Составные части устройства

Биполярный транзистор разделяется на три основные части:

1. Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
2. База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
3. Коллектор – слой полупроводника, задачей которого является собрать все заряды, которые прошли через базу.

Как правило, область эммитера немного уже, чем у коллектора. Поскольку изготовление базы происходит из слаболегированного полупроводника, то она является очень тонкой. В результате того, что площадь контакта между эммитером и базой гораздо уже, чем между базой и коллектором, то произвести замену коллектора и эмиттера просто невозможно, даже при большом желании. Подобная ситуация приводит к тому, что биполярный транзистор считается устройством, в котором отсутствует симметрия.

Биполярный транзистор — принцип работы

Принцип действия биполярного транзистора представлен ниже.

Когда транзистор включают в режиме усиления, открывается эммитерный переход, и закрывается переход коллектора. Это происходит в результате подключения источников питания.

Из-за того, что переход эммитера находится в открытом положении, через него происходит переход эммитерного тока, он образуется в результате перехода дырок из базового слоя транзистора в эммитер и аналогичного перехода электронов из эммитера в базовый слой.

В результате этого эммитерный ток состоит из двух основных частей – дырочной и электронной.

Чтобы определить коэффициент инжекции, следует разобраться с уровнем эффективности эммитера.

Инжекция зарядов – это перемещение элементов, содержащих в себе заряд из зоны, где они играли основную роль, в зону, где они стали неосновными.

В базовом слое транзистора происходит рекомбинация электронов, а восполнение их концентрации происходит за счёт плюса источника ЭГ. В итоге электрическая цепь базового слоя биполярного транзистора содержит в себе достаточно слабый ток.

А те электроны, которые попросту не успели поддаться процессу рекомбинации в базовом слое, с помощью разгоняющего воздействия закрытого коллекторного перехода перемещаются в него, и происходит образование коллекторного тока. В результате этого наблюдается экстракция электрических зарядов (переход элементов, которые содержат в себе заряд из зоны, где они играли второстепенную роль в зону, где они играют главную роль).

Вот и весь принцип работы биполярного транзистора.

Режимы функционирования устройства

На этом этапе времени выделяют следующие режимы работы биполярного транзистора:

1. Активный инверсный режим. В этом случае открыт переход между базовым и коллекторным слоями, а переход между базой и эммитером закрыт. Усилительные свойства в данном режиме очень плохие, поэтому в таком состоянии транзисторы используют в редчайших ситуациях.
2. Насыщение. Оба вышеуказанных перехода находятся в открытом состоянии. В результате этого элементы коллектора и эммитера, которые содержат в себе заряд, перемещаются в базовый слой, где происходит их активная рекомбинация с основными элементами базы. Из-за чрезмерного количества зарядов происходит снижение сопротивляемости базы, наблюдается уменьшение p — n переходов. В режиме насыщения, цепь транзистора имеет вид короткозамкнутой, а данный элемент представлен в роли эквипотенциальной точки.
3. Режим отсечки. Оба перехода в биполярном транзисторе закрыты, соответственно, происходит прекращение тока основных носителей заряда между коллекторным и эммитерным слоями. Потоки второстепенных зарядов способны только создавать неуправляемые и малые токи. В результате скудности базового слоя и перемещения носителей зарядов сопротивление вышеуказанных токов в значительной мере возрастает. Из-за подобной работы достаточно часто бытует мнение, что устройство, работающее в таком режиме, являет собой разрыв цепи.
4. Барьерный режим. В данном режиме базовый слой прямо или с помощью малого сопротивления замыкается с коллекторным слоем. В этом случае, в цепь коллектора или эммитера необходимо включить резистор, который через транзистор начинает задавать ток. В результате такой работы происходит образование эквивалента схемы диода, которая имеет последовательно включённое сопротивление. В подобном состоянии устройства схема способна работать при различных температурных режимах и при разнообразных параметрах транзистора.

Схемы включения транзисторов биполярного типа

Из-за того, что транзистор имеет три контакта, то питание на него следует подавать из 2 источников, сумма которых образует четыре вывода. Подобное действие приводит к тому, что в один из контактов устройства происходит подача напряжения одного знака из различных источников.

С учётом того, в какой контакт производится подача напряжения, выделяют три типа схем включения биполярных транзисторов:

• с эммитерным слоем;
• с коллекторным слоем;
• с базовым слоем.

Каждая из вышеуказанных схем имеет свои преимущества и недостатки.

Схема включения с общим эммитерным слоем

Данная схема создаёт самое большое усиление по току и напряжению. Благодаря таким её свойствам она и является самой распространённой. В данном случае присутствует прямой переход между эммитерным и базовым слоями и обратный переход между базой и коллектором. А тот факт, что на них осуществляется подача напряжения одного знака, способствует тому, что схему можно напитать с помощью одного источника.

Среди отрицательных сторон схемы можно выделить то, что возрастание частоты и температурного режима способствует значительному снижению усилительных свойств устройства. В результате этого следует отметить, что если необходима работа транзистора на высоких частотах, то от использования этой схемы желательно отказаться.

Схема включения с общим базовым слоем

Данная схема создаёт среднее усиление сигнала, но зато она прекрасно подходит для работы на высоких частотах. Если одно и то же устройство будет сначала функционировать по первой схеме, а затем по этой, то можно будет наблюдать значительный рост граничной частоты усиления. Из-за того, что в этой схеме заниженное сопротивление входа и среднее сопротивление выхода, то её лучше использовать в случае наличия антенных усилителей, в которых волновое сопротивление кабелей составляет не более ста Ом.

Среди минусов можно выделить тот момент, что для того, чтобы напитать устройство, требуется использовать 2 источника питания.

Схема включения с общим коллекторным слоем

Среди других схем выделяется тем, что наблюдается полная передача напряжения обратно на вход – это указывает на сильнейшую отрицательную обратную связь.

Уровень усиления по току практически равен значению, присутствующему в первой схеме. Но вот уровень усиления по напряжению очень маленький, что является одним из главных недостатков данной схемы.

Разобраться в особенностях работы биполярного транзистора и его схем достаточно просто, главное — постараться вникнуть.

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

П л а н л е к ц и и

6.1. Биполярные транзисторы.

6.2. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и параметры для основных схем включения.

6.1. Биполярныетранзисторы.

Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p–n-перехода, называется биполярным транзистором.

6.2. Структураипринципдействиябиполярноготранзистора. Схемывключения(ОЭ, ОБ, ОК). СтатическиеВАХи параметрыдляосновныхсхемвключения.

Биполярный транзистор был изобретен американскими физиками Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в 1948 г. Они вместе с американским физиком Уильямом Шокли в 1956 г. были награждены Нобелевской премией за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта.

Конструкция первого биполярного транзистора (БТ) приведена на рис. 6.1. В пластинку монокристаллического германия n-типа 1 с силой вдавливался пластмассовый треугольник 2, обернутый золотой фольгой 3. На вершине треугольника фольга разрезалась бритвой. В месте соприкосновения фольги с поверхностью пластины образуются области p- типа: эмиттер 4 и коллектор 6. Между ними располагается база 5. На рис. 6.1, б приведено изображение первого промышленного биполярного транзистора, где 1 – контакт эмиттера; 2 – контакт коллектора; 3 – корпус; 4 – изолирующая прокладка; 5 – контактная проволочка; 6 – кристалл германия; 7 – контакт к базе. Эмиттерный и коллекторный переходы изготавливались вплавлением в германиевый кристалл тонких проволочек. Диаметр транзистора составлял 1 см, высота 4 см.

Устройство, обозначение и включение биполярных транзисторов n–р–п- и p–n–р-типа в активном режиме (режим усиления) показано на рис. 6.2.

Биполярным транзистор называется потому, что в нем используются носители заряда двух видов: электроны и дырки. Слово «транзистор» (от английского transfer resistor) означает, что этот прибор согласует низкоомную

 Электроника. Конспект лекций

-94-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

входную цепь эмиттера с высокоомной выходной цепью коллектора, третий электрод – база – является управляющим.

Основными материалами для изготовления биполярных транзисторов служат кремний, германий и арсенид галлия. По технологии изготовления они делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

		1	2
2	3	3
4	6	4
5	1	5
		6
n – Ge
		7
а			б

Рис. 6.1. Конструкция первого биполярного транзистора (а) и первый промышленный образец (б)

э				к		n–p–n
n		p	n		э	к
Еэ		б	Ек
–	+	–		+
э				к		p–n–p
					э	к
p		n	p
Еэ		б	Ек
+	–	+		–

Рис. 6.2. Устройство, условное обозначение и включение биполярных транзисторов в активном режиме

 Электроника. Конспект лекций

-95-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие усиливать, генерировать и преобразовывать электрические колебания в широком диапазоне частот и мощностей. В соответствии с этим их можно разделить на низкочастотные (до 3 МГц), среднечастотные (3–30 МГц), высокочастотные (30–300 МГц), сверхвысокочастотные (более 300 МГц). По мощности их можно разделить на маломощные (не более 0,3 Вт), средней мощности (0,3–1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт).

Взависимости от того, какой из электродов транзистора является общей точкой действия входного и выходного напряжений, различают три основные схемы включения БТ: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общей базой (ОБ) и схема с общим коллектором (ОК), называемая также эмиттерным повторителем.

Принцип работы, характеристики и параметры биполярных транзисторов удобно рассматривать на примере широко используемой на практике схемы включения транзистора с общим эмиттером (рис. 6.3). Эта схема дает наибольшее усиление по току, напряжению и мощности. На схеме

показаны включенные в цепь базы источник питания Еб с резистором Rб для задания режима работы транзистора по постоянному току и источник питания Ек цепи коллектора с нагрузочным резистором Rк.

Взависимости от того,

какие напряжения				действуют
на	переходах,		различают		3			Iк
режима работы транзистора:
	– активный режим, или						Rб	Rк
режим		усиления,		когда			Iб	Uкэ
эмиттерный переход смещен в							+ Uбэ	+
прямом		направлении,			а	Еб			Ек
коллекторный в обратном;							–	Iэ
	–	режим	насыщения,					–
когда оба перехода смещены в
прямом направлении;
	– режим отсечки, когда
оба	перехода		смещены		в	Рис. 6.3. Включение биполярного транзистора
обратном направлении.
							n–р–п-типа по схеме с общим эмиттером
	Принцип			работы
биполярного			транзистора

заключается в том, что незначительный по величине ток базы Iб,
возникающий при подаче прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер – база,
вызывает значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектора Iк. Это
обусловлено	сильной инжекцией электронов из эмиттера, которые

втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода. Ток коллектора при этом определяется выражением

 Электроника. Конспект лекций

-96-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

где βст – статический коэффициент передачи тока базы, значительно превышающий по величине единицу.

Ток коллектора Iк связан с напряжением на переходе база – эмиттер уравнением Эберса – Молла:

Iê = Iê0 (exp(Uáý /ϕT ) −1),

(6.2)

где Iк0 – обратный ток коллекторного перехода, φТ – температурный потенциал, составляющий для кремния при температуре Т = 300 К примерно 26 мВ. Токи эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношением

Iэ = Iк + Iб.

	Iб, мкА	Iк, мА	Режим
			насыщения
60	Uкэ = 0				80 мкА
	Uкэ > 0
		10			60 мкА
			Активный
4					40 мкА
			режим
2		5			20 мкА
			Режим отсечки		Iб = 0
0	500 Uбэ, мВ		0 Uкэ.нас 10	20	Ек 30 Uкэ, В
	а			б

Рис. 6.4. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n-типа в схеме с общим эмиттером

Зависимость между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторах определяется семействами входных и выходных статических вольт-амперных характеристик (ВАХ) (рис. 6.4).

Входные характеристики Iб = f(Uбэ)|Uкэ (рис. 6.4, а) снимаются при постоянных выходных напряжениях коллектор-эмиттер Uкэ = const. При Uкэ = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкэ > 0 характеристика сдвигается вправо на величину так называемого порогового напряжения Uбэ.пор, различающегося у германиевых и кремниевых транзисторов.

Семейство выходных ВАХ Iк = f(Uкэ)|Iб (рис. 6.4, б) снимается при различных токах базы Iб = const.

 Электроника. Конспект лекций

-97-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

На вольт-амперных характеристиках выделены области, соответствующие работе транзистора в активном режиме, в режимах насыщения и отсечки.

Биполярные транзисторы характеризуются большим числом различных параметров (статических, дифференциальных, физических) и соответствующих им линейных и нелинейных эквивалентных схем.

Одним из широко используемых на практике параметров БТ является определенный выше статический коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером βст.

При представлении БТ как линейного активного четырехполюсника используются несколько систем характеристических параметров, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки с точки зрения измерения параметров и практического их использования в инженерных расчетах. Как правило, в справочных данных транзисторов приводятся значения так называемых смешанных или гибридных h-параметров – h21, h22, h31, h32.

Параметр h21 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения входного напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллекторэмиттер:

h21 = ( Uбэ/ΔIб)|Uкэ = const.

(6.3)

Он имеет смысл и размерность дифференциального входного сопротивления транзистора в режиме малого сигнала.

Параметр h31 в схеме с общим эмиттером определяется как приращение тока коллектора к вызвавшему его приращению тока базы при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер:

h31 = ( Iк/ΔIб)|Uкэ = const.

(6.4)

Он называется дифференциальным коэффициентом усиления транзистора по току или коэффициентом передачи по току. Значения дифференциального h31 и статического βст коэффициентов усиления по току достаточно близки.

Параметр h22 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение приращения напряжения база-эмиттер к вызвавшему его приращению напряжения коллектор-эмиттер при фиксированном значении тока базы:

h22 = ( Uбэ/ Uкэ)|Iб = const.	(6.5)
Он характеризует влияние выходной цепи транзистора на	входную

цепь вследствие имеющейся внутренней обратной связи между ними и называется коэффициентом обратной связи по напряжению.

Параметр h32 в схеме с общим эмиттером определяется как отношение
приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению напряжения
коллектор-эмиттер при фиксированном значении тока базы:
 Электроника. Конспект лекций	-98-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

h32 = (ΔIк/ Uкэ)|Iб = const.

(6.6)

Он имеет смысл и размерность дифференциальной выходной проводимости, обратной выходному сопротивлению транзистора в режиме малого сигнала.

Указанные параметры биполярных транзисторов могут быть легко определены на основе их ВАХ.

Коэффициент усиления по напряжению, согласно определению, равен

отношению выходного и входного напряжений:
kU = (ΔUкэ/ Uбэ).	(6.7)

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а напряжение коллектор-эмиттер может достигать величины единиц или десятков вольт. Поэтому kU может принимать значение от десятков до сотен.

В соответствии со схемой рис. 6.4 могут быть построены и измерены динамические входные и выходные характеристики каскада Iк = f(Uкэ)|Ек = = const, Iб = f(Uбэ)|Ек = const. Выходная динамическая характеристика описывается уравнением Iк = (Ек – Uкэ)/Rк и называется также нагрузочной прямой или нагрузочной характеристикой (рис. 6.4, б). Динамические характеристики используются для выбора режима работы транзистора по постоянному току и графического определения значений его токов и напряжений при приложении входного переменного напряжения или тока.

Перейдем к рассмотрению характеристик и параметров транзистора включенного по схеме с общей базой (рис. 6.5). Используя соотношения между токами и напряжениями БТ в схемах включения с общим эмиттером и

собщей базой: Iэ = Iк + Iб, Uкб = Uкэ – Uбэ, можно по ВАХ транзистора в схеме

собщим эмиттером построить его ВАХ в схеме включения с общей базой. Входные характеристики устанавливают связь между током эмиттера и

напряжением эмиттер-база при фиксированных значениях напряжения коллектор-база Iэ = f(Uэб)|Uкб = const. При Uкб = 0 характеристика идет из начала координат, так как при отсутствии напряжения отсутствует и ток. При Uкб > 0 характеристика сдвигается влево, так как протекает небольшой начальный ток эмиттера Iэн. Характеристики для различных Uкб расположены близко друг к другу, так как основное падение напряжения Uкб сосредоточено на коллекторном переходе.

Семейство выходных ВАХ, показывающее зависимость выходного тока коллектора от напряжения коллектор-база, снимается при различных токах эмиттера Iк = f(Uкб)|Iэ = const (рис. 6.6, б).

 Электроника. Конспект лекций

-99-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

		Uкб
Iэ	Uэб		Iк
	Rэ	Iб	Rк
	–	+	–
	Еб		Ек

Рис. 6.5. Включение биполярного транзистора n–р–п-типа по схеме с общей базой

		Iэ, мА			Iк, мА
5		Uкб	= 10				5мА
		Uкб =0		4
4							4мА
3							3мА
2				2			2мА
1							Iэ=0
					Iк0		1мА
0		0,2	0,4 Uэб, В	-0,8 0	10	20 Uкб, В
			а		б

Рис. 6.6. Входные (а) и выходные (б) ВАХ биполярного транзистора n–p–n-типа в схеме с общей базой

Соответствующие этой схеме включения h-параметры транзистора определяются следующим образом:

h21(об) = ( Uэб/ΔIэ)|Uкб = const; h22(об) = ( Uэб/ΔUкб)|Iэ = const; h31(об) = ( Iк/ΔIэ)|Uкб = const; h32(об) = (ΔIк/ Uкб)|Iэ = const.

В табл. 6.1. приведены значения h-параметров для схем включения ОБ

и ОЭ.

 Электроника. Конспект лекций

-100-

может достигать десятков – сотен килоом.

Rвх = Uвх/Iб = (Uбэ+Uвых) / Iб. (6.8)

Отношение Uбэ/Iб есть входное сопротивление схемы с общим эмиттером, которое может достигать значения единиц килоом. А так как выходное напряжение в десятки раз больше напряжения база-эмиттер, то и входное сопротивление в десятки раз превышает сопротивление схемы ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОК почти такой же, как в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Действительно, для данной схемы можно записать

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

		Таблица 6.1
	Значения h-параметров для схем включения ОБ и ОЭ
Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ
h21	Сотни ом – единицы килоом	Единицы – десятки ом
h22	10–3–10–4	10–3–10–4
h31	Десятки – сотни	0,95–0,98
1/h32	Единицы – десятки килоом	Сотни килом – единицы мегаом

Из таблицы следует, что у обоих схем включения есть существенный недостаток – малое входное сопротивление. Именно для преодоления этого недостатка, применяется схема включения с общим коллектором (рис. 6.6).

Особенностью схемы ОК

является то, что сопротивление

Iк

нагрузки

включено

в

цепь

Iб

эмиттера

и

падение

напряжения, возникающее

на

сопротивлении

нагрузки,

+

Uбэ

+ Ек

полностью передается на вход,

Еб

Iэ

Rэ

т. е.

существует

сильная

–

Uвы

отрицательная

обратная

связь.

Отсюда

вытекает

второе

название

данной

схемы

–

эмиттерный

повторитель.

Рис. 6.6. Включение биполярного транзистора

Входное

напряжение

схемы

является

суммой напряжений

n–р–п-типа по схеме с общим коллектором

база–эмиттер

и

выходного

напряжения.

Входное

сопротивление

схемы

ОК

 Электроника. Конспект лекций

-101-

ЛЕКЦИЯ 6. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

6.2. Стр-ра и принцип действия бип-го транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, ОК). Статические ВАХ и пар-ры для осн. схем включения.

Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее:

KU = Uвых/(Uбэ + Uвых) < 1.

(6.10)

Для удобства сравнения основные свойства всех трех схем включения сведены в табл. 6.2.

	Основные свойства схем включения		Таблица 6.2
Параметр	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
ki	Десятки – сотни	< 1	Десятки – сотни
KU	Десятки – сотни	Десятки – сотни	< 1
KP	Сотни–десятки	Десятки – сотни	Десятки – сотни
Rвх	тысяч
	Сотни ом –	Единицы –	Десятки –
	единицы килоом	десятки ом	сотни килоом
Rвых	единицы –	Сотни килоом –	Сотни ом –
	десятки килоом	Единицы мегаом	единицы килоом
Фазовый
сдвигмежду	180°	0°	0°
Uвх и Uвых

К основным предельным параметрам БТ относятся максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ.max, максимальный постоянный ток коллектора Iк.max и максимальная рассеиваемая мощность на коллекторе Рк.max. При определенных применениях БТ необходимо учитывать и предельно допустимое значение обратного напряжения перехода эмиттербаза Uэб.max, также приводимое в справочных данных.

 Электроника. Конспект лекций

-102-

3.2 Принцип действия биполярного транзистора

Применение транзистора для усиления электрических колебаний основано на его принципе дейст-вия как управляемого электронного прибора.

В схеме включения транзистора (рис. 14) к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к коллекторному – обратное. Если на эмиттерном переходе нет напряжения, то через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток I_кобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллек-

n

p

n

торной цепи тока нет, т.е. транзистор закрыт.

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения от источника

питания Еэ происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где

– Еэ +

Ек +

–

они являются неосновными. Для транзистора n-p-n этими носителями заряда

являются электроны. Движение электронов в процессе инжекции через эмит-

терный переход создает ток эмиттера Iэ. Электроны, перешедшие в базу,

Рис. 14

Основная схема

имеют вблизи p-n-перехода повышенную концентрацию, что вызывает диф-

подключения биполярного

фузию их в базе. Толщина базы очень мала, поэтому электроны в процессе

транзистора к источникам

диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Большая их часть

питания

не успевает рекомбинировать с дырками базы и втягивается ускоряющим

электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция электро-нов под действием обратного напряжения из базы в коллектор. Движение электронов в процессе экс-тракции из базы в коллектор создает ток коллектораI_к. Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу электронов рекомбинирует в области базы с дырками, количество которых пополня-ется из внешней цепи от источника Е_э. За счет этого в цепи базы протекает ток базы I_б. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда – дырок. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы, невелико.

Ток коллектора управляется током эмиттера: если увеличится ток эмиттера, то практически про-порционально возрастет ток коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при ма-

лых изменениях прямого напряжения на эмиттерном переходе.
Токи	трех	электродов	транзистора	связаны	соотношением:

I_э = I_к + I_б. Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приближенно равным току эмиттера: I_к ≈ I_э.

Принцип действия p-n-p-транзистора аналогичен рассмотренному, но носителями заряда, создаю-щими токи через p-n-переходы в процессе инжекции и экстракции, являются дырки; полярность источ-ников Е_э и Е_к должна быть изменена на противоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.

На основании рассмотренных процессов можно сделать вывод, что транзистор как управляемый прибор действует за счет создания транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким обра-

зом, биполярный транзистор управляется током.

Ток эмиттера как прямой ток p-n-перехода значительно изменяется при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора.

На этом основаны усилительные свойства транзистора.

ТРАН-

3.3 Статические характеристики транзисторов

~

Uвх~

Rн

Обобщенная схема включения транзистора для усиления

электрических колебаний содержит две цепи (рис. 15): входную

и выходную. Входная цепь является управляющей; в нее после-

E1

E2

довательно с источником питания Е1 включается источник сла-

бых электрических колебаний Uвх~, которые надо усилить. Элек-

Рис. 15 Обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний

трические колебания , подаваемые во входную цепь, называют управляющим, или усиливаемым, сигна-лом. Выходная цепь является главной цепью, в нее последовательно с источником Е₂ включается на-грузка R_H, на которой надо получить усиленный сигнал. Таким образом, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний представляет собой четырехполюсник.

Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один – входной, другой – выход-ной, а третий – общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является об-щим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и об-щим коллектором (ОК).

В схеме, на которой рассматривался принцип действия транзистора (рис . 14), входной элек-трод – эмиттер, выходной – коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, – база; следовательно, это была схема ОБ.

При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмиттера указывает направление проходящего через него тока.

Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны; они также отличаются характеристиками и параметрами. В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи – U_вх

• I_вх, в выходной – U_вых и I_вых. Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и взаимно влияют друг на друга.

Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей величине. Для того чтобы одну из электрических величин можно было поддержи-вать постоянной, в схему для снятия характеристик надо включить только источники питания; нагрузку

Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной, называ-
ют статическими. Совокупность характеристик, снятых при разных значениях этой постоянной вели-
чины, представляет собой семейство статических характеристик.
Наибольшее значение при применении биполярных транзисторов имеют два вида характеристик –
входные и выходные.
Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при по-
стоянном выходном напряжении:
		Iвх = f (Uвх) при Uвых = const.
Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при
постоянном входном токе:
		Iвых = f (Uвых) при Iвх = const.
Вид характеристик транзистора зависит от способа его включения, но для схем ОЭ и ОК они прак-
тически одинаковы, поэтому пользуются обычно входными и выходными характеристиками для схем
ОБ и ОЭ. На практике наибольшее распространение получила схема ОЭ, поэтому рассмотрим ее более
подробно.
Принципиальная схема установки приведена на рис. 16. В ее состав входят два источника питания с
регулируемым от 0 до некоторого максимального значения выходным напряжением 1, микроамперметр
2 и миллиамперметр 3 для измерения токов базы и коллектора, вольтметры 4, 5 для измерения напря-
				жений Uбэ и Uкэ. Балластный резистор 6
		3		служит для ограничения тока базы иссле-
				дуемого транзистора 7.
	2			В этой схеме входным током является
+	6		+	ток базы Iб, выходным – ток коллектора Iк,
				входное напряжение создается между ба-
		7
1	4		5	зой и эмиттером Uбэ, а выходное – между
			1
				коллектором и эмиттером Uкэ. Таким обра-
–			–	зом, входные характеристики транзистора,
				включенного по схеме ОЭ, представляют
	Рис. 16 Схема установки для снятия			собой зависимость тока базы от напряже-
	статических характеристик биполярного транзистора

ния база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер:

I_б = f (U_бэ) при U_кэ = const.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависи-мость тока коллектора от напряжения коллектор – эмиттер при постоянном токе базы:

I_к = f (U_кэ) при I_б = const.

Примерный вид семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора приведен на рис. 17 и 23.

На рис. 17 изображено семейство из двух входных характеристик, снятых при различных напряже-ниях на коллекторе (U_кэ1< U_кэ2). Даже при значительно отличающихся коллекторных напряжениях входные характеристики качественно одинаковы и незначительно смещаются вправо с ростом U_кэ. Это говорит о наличии слабой связи между входными и выходными цепями биполярного транзистора.

Начальный круто восходящий участок каждой из выходных характеристик биполярного транзисто-ра (рис. 18) является нерабочим. Это участок малого напряжения U_кэ, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5…1,5 В. При малых значениях U_кэ, соизмеримых с величиной U_бэ, следует учитывать, что напряжение

		Uкэ равно сумме напряжений на коллекторном Uкб и эмиттерном Uбэ пере-
Iб	Uкэ1 Uкэ2	ходах. Отсюда	напряжение на коллекторном	переходе Uкб	= Uкэ	–
		– Uбэ. При Uкэ	< Uбэ из меньшего вычитается большее, т.е. знак Uкэ			–
		– Uбэ меняется на противоположный. А это означает, что если в рабочем
		режиме полярность Uкб соответствует обратному напряжению на коллек-
		торном	переходе,	то	при
		Uкэ < Uбэ она соответствует прямому напряжению. Наибольшее значение
			прямого напряжения Uкб на коллекторном
			переходе	получается	при

			UБЭ					Iб4
Рис. 17	Семейство
входных
характеристик биполярного								Iб3
Iк3
								Iб2
Iк2
Iк1								Iб1
	U1	U2	U3	U4	U5	U6	U7	Uкэ, В

Рис. 18 Семейство выходных вольтамперных характе-ристик

биполярного транзистора

U_кэ = 0, когда U_кб = U_бэ. По мере роста U_кэ это прямое напряжение уменьшается и

становится равным нулю при U_кэ = U_бэ. Прямое напряжение на коллекторном пе-реходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных но-сителей заряда, которые инжектируются в базу из эмиттера. Поэтому уменьшение прямого напряжения на коллекторном пе-реходе приводит к увеличению экстракции этих носителей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает резкое возрастание тока коллектора.

При U_кэ > U_бэ полярность U_кб изменя-ется на обратную для коллекторного пере-хода. Изменение напряжения U_кэ на этом участке характеристик мало влияет на ве-

личину тока коллектора; рабочий участок характеристики идет полого.

Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою кол-лекторного перехода.

Кроме рассмотренных семейств характеристик для некоторых практических расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи.

Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от входного напряжения при посто-янном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Характеристикой прямой передачи называют зависимость выходного тока от входного. Для схемы с ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора.

25. Зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме включения с об. Принцип действия.

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном перехо-де — прямое напряжение, на коллекторном — обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора Uэ > 0, Uк < 0.

Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме эмиттерный переход смещён в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в ба-зу. База должна иметь достаточно малую толщину W (W << Lp, где Lp- диффузионная длина неосновных носителей), чтобы инжектированные в базу неосновные носители не успевали прореком-бинировать за время переноса через базу. Коллекторный переход, нормально смещенный в обратном направлении «собирает» инжектированные носители, прошедшие через слой базы.

a) б)

Рис. 4.6. Зонная диаграмма биполярного транзистора а) в равновесном состоянии, б) в активном режиме

Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах. Для любого p-n пе-рехода ток J определятся суммой электронного Jn и дырочного Jp компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения UЭ > 0 в биполярном транзи-сторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэп. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет намного превышать ток электронов Iэп. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу и если ширина базы w много меньше диффузионной длины Lp, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uk < 0, |Uk| >> 0): — ток в цепи эмиттера, Iк — ток в цепи коллектора, I6 — ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет ток

де Iэр — ток инжекции дырок из эмиттера в базу , Iэn — ток инжектированных электронов из базы в эмиттер.

, где I0 — тепловой ток, Ig — ток генерации.

Рис. 4.7. Схема, иллюстрирующая компоненты тока в биполярном транзисторе в схеме с общей базой.

26. Расчет вах биполярного транзистора. Граничные условия.

При нормальном включении через эмиттерный p-n переход течет ток I1, через коллекторный переход течет ток — меньший, чем I1 вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На рис. 4.8 этот процесс изображен как генератор токагде N – коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному току I2 будет соответствовать эмиттерный ток, где— коэффициент инверсии.

Рис. 4.8. Эквивалентная схема биполярных транзисторов

Таким образом, токи эмиттера Jэ и коллектора Jк, в общем случае, состоят из инжектируемого (I1 или I2) и экстрагируемого (или) токов. (4.1)

Величины токов I1 и I2 выражаются для p-n переходов стандартным способом. (4.2) где I’э0 и I’к0 — тепловые (обратные) токи p-n переходов. Отметим, что эти токи I’э0 и I’к0 отличаются от обратных токов эмиттера Iэ0 и коллектора биполярного транзистора.

Оборвем цепь эмиттера (Jэ = 0) и подадим на коллекторный переход большое запирающее напряжение Uк. Ток, протекающий в цепи коллектора при этих условиях, будем называть тепловой ток коллектора Iк0. Поскольку Iэ = 0; из (4.1) следует, что I1 =, а из (4.2) — I2 = -I’к, поскольку U >> kT/q.

Полагая Iк = Iк0, получаем в этом случае , (4.3)

Обозначим ток эмиттера при большом отрицательном смещении и разомкнутой цепи коллектора через -Iэ0 тепловой ток эмиттера (4.4)

Величины теплового эмиттерного и коллекторного тока значительно меньше, чем тепловые токи диодов.

Подставляя (4.2) в (4.1), получаем

(4.5)

В активном режиме. Рассмотрим случай, когда на эмиттерный переход биполярного транзистора подано прямое, а на коллекторный – обратное смещение. Для p-n-p биполярного транзистора это Uэ > 0, Uк < 0.

Для нахождения ВАХ в качестве входных параметров выбирают Jэ, Uк; а выходных – Jк, Uэ, из соображений удобства измерения. В (4.5) выразим (— 1), подставим в Jк и получим

Следовательно (4.6) Соотношение (4.6) описывает семейство коллекторных характеристик Iк = f(Uк)с параметром Iэ.

Семейство эмиттерных характеристик Uэ = f(Iэ) с параметром Uк получим из (4.5). Учитывая, что

Получаем (4.7)

Формулы (4.6) и (4.7) описывают характеристики транзистора, представленные на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме: а — семейство коллекторных кривых, б — семейство эмиттерных кривых.

Для активного режима, когда Uэ > 0, Uк < 0, |Uк| << 0, выражения (4.6) и (4.7) переходят в

(4.8)

Глава 5 биполярные транзисторы

5.1. Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы

5.1.1. Общие сведения

Биполярным транзистором(БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n-переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типап-р-п(или со структурой n-p-n) и типар-п-р(или со структурой р-n-р), условные изображения которых по­казаны на рис. 5.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рис. 5 2 В этой структуре существуют два перехода с неодинако­вой площадью: площадь перехода n₁-р меньше, чем у перехода n₂-р. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (п₁с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n₂). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n₁) называетсяэмиттером, а область n₂– коллектором. Соответст­венно переход n₁-р называютэмиттерным,а n₂-p коллектор­ным.Средняя область (p) называется базовой (или базой). Контакты с областями БТ обозначены на рис. 5.2,а буквами: Э – эмит­тер; Б –база; К – коллектор.

Рабочей (активной) частью БТ является область объема стру­ктуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (но заштрихо­вана на рис. 5.2,а). Остальные (заштрихованные) участки структуры являются пассивными («паразитными»), обусловленными конструктивно-технологическими причинами. На рис. 5.2,б показана идеализированная структура БТ без пассивных областей, т.е. только активная часть транзистора, изображенная для удобства описания горизонтально. Сильнолегированная эмиттерная область обозначена верхним индексом «+» (n⁺), а нижние индексы 1 и 2 опущены.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом БТ с однородной базой называют бездрейфовыми,а с неоднородной базой –дрейфовыми.

Биполярный транзистор, вляющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рис. 5.3 пока­заны эти схемы включения для р-n-р-транзистора. Стрелки на условных изображениях БТ указывают (как и на рис. 5.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

В общем случае возможно четыре варианта полярностей напряжения переходов, определяющих четыре режима работы транзистора. Они получили названия: нормальный активный режим, инверсный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме(НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер-базаU_ЭБ), а на коллекторном переходе – обратное (напряжение коллектор-базаU_КБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рис. 5.5 и направления токов для p-n-p-транзистора. В случае n-p-n-транзистора полярности напряжения и направления токов изменяются на противоположные.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет назначение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. «Собира­тельная» способность этого перехода и обусловила название «коллектор». Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение U_КБ, а на эмиттерный – обратноеU_ЭБ. Такой режим работы называется инверснымактивным режимом(ИАР) В этом случае транзистор «работает» в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции(РДИ) или менее удачно режимомнасыщения(РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу, и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки(РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые токи.

Наглядно связь режимов БТ с включением переходов показа­на на рис. 5.4. Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов. В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания U_ЭБ иU_КБ.В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (U_ЭБ = – U_БЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов. Так как U_ЭБ = – U_БЭ, то U_КБ = U_КБ – U_БЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным – в другом случае. В схеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: U_КБ = – U_БК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: U_ЭБ = U_ЭК + U_КБ = = U_ЭК – U_БК, при этом правило знаков прежнее.