Ювелирное обозрение

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующимивыпрямляющими электронно-дырочными переходами, тремя (или более выводами). Усилительные свойства биполярных транзисторов обусловлены явлениямиинжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Структура биполярных итранзисторов приведена на рисунках.

Взаимодействиемеждупереходами осуществляется при малой толщине области между переходами. В этом случае носители заряда,инжектированные через переход, смещенный в прямомнаправлении, могут преодолеть малую базовую область и дойти до второго перехода.

Второй переход смещен в обратном направлении. При отсутствии инжекции носителей в область базы ток второго (обратно смещенного перехода) мал. При наличии инжекции носителей в базовую область, достигшие второго перехода носители изменяют ток, протекающий через обратно смещенный переход. То есть, ток первого перехода управляет током второго перехода.

Область транзистора, используемая в режиме инжекции, называется эмиттером.

Область транзистора, осуществляющая экстракцию (удаление) носителей заряда называется коллектором.

Средняя область транзистора называется базой.

Электронно-дырочный переход, расположенный между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом. Электронно-дырочный переход, расположенный между коллектором и базой, называетсяколлекторным переходом.

Для величин, относящихся к эмиттеру, коллектору и базе применяются индексы "э", "к", "б" соответственно. Например, токи в соответствующих проводниках, обозначаются . Напряжения между соответствующими электродами обозначаются двойными индексами:-напряжение между базой и эмиттером.

Электронно-дырочные переходы биполярного транзистора могут быть смещены как в прямом, так и в обратном направлении. При этом возможны три режима работы транзистора:

Режим отсечки-оба перехода смещены в обратном направлении и через транзистор проходят малые токи

Режим насыщения– оба перехода смещены в прямом направлении. Через транзистор при этом проходят сравнительно большие токи.

Активный режим– эмиттерный переход смещен с прямом направлении, коллекторный переход смещен в обратном направлении. В этом режиме наиболее эффективно осуществляется управление током.

Физика работы биполярного транзистора в активном режиме.

Активный режим является основным режимом работы транзистора. В активном режиме на эмиттерном переходе прямое напряжение внешнего источника, то есть сопротивление эмиттерного перехода низкое -несколько ом.. На коллекторном переходе обратное включение внешнего источника – сопротивление коллекторного перехода высоко – несколько мегаом. Благодаря высокому сопротивлению коллекторного перехода в цепь коллектора можно включать нагрузку с большим сопротивлением, а ток коллектора при этом останется практически неизменным, так как он все равно будет определяться очень большой величиной сопротивления обратно смещенного коллекторного перехода.

При прямом смещении эмиттерного перехода его потенциальный барьер понижается и через переход течет ток основных носителей заряда -ток эммитера . Инжектированные через эмиттерный переход в базу носители заряда, частично рекомбинируют в базе. Ввиду малой толщины базы основная часть инжектированных носителей заряда диффундирует сквозь базу и (для базы это неосновные носители) достигает коллекторного перехода.

В исходном состоянии коллекторный переход закрыт обратным включением внешнего источника. Поэтому на коллекторном переходе существует потенциальный барьер и соответствующее электрическое поле. Через коллекторный переход могут проходить только неосновные носители. Поэтому инжектированные через эмиттерный переход носители – для коллекторного перехода это неосновные носители – подхватываются полем и проходят через коллекторный переход, создавая коллекторный ток . Следовательно, коллекторный переход осуществляет удаление -экстракцию- неосновных носителей из базовой области.

Те носители, которые не принимают участия в создании коллекторного тока, а рекомбинируют в теле базы, создают тем базовый ток .

Очевидно, что ток коллектора меньше тока эмиттераНеобходимо чтобы ток базы был по возможности ниже. Обычно ток базы составляет единицы процентов от величины тока эмиттера. Это достигается при изготовлении транзисторов уменьшением концентрации примесей в базе, уменьшением толщины базы. При выполнении этих условий можно считать, что токи эмиттера и коллектора примерно равны .

Следовательно ток коллектора может изменяться от очень малой величины (практически от нуля), определяемой обратным током электронно-дырочного перехода, до значения тока эмиттерного перехода.

Если ток коллектора возрастает при неизменном напряжении на коллекторе (-схема включения с общей базой), то физически это означает, что сопротивление коллекторного перехода снижается до величины того же порядка, что и сопротивление эмиттерного перехода. Следовательно, в результате инжекции носителей из эмиттера происходит преобразование сопротивления коллектора (transferresistor- отсюда и название транзистор).

Напряжение на эмиттерном переходе значительно меньше чем напряжение на коллекторном переходе (). Токи коллектора и эмиттера практически равны. Мощности выделяемые в эмиттерной цепии коллекторной цепиразличны, причем. Следовательно, биполярный транзистор способен усиливать мощность входного сигнала, то есть является усилительным прибором.

Электроника, электротехника. Профессионально-любительские решения.

Если рассматривать механические аналоги, то работа транзисторов напоминает принцип действия гидравлического усилителя руля в автомобиле. Но, сходство справедливо только при первом приближении, поскольку в транзисторах нет клапанов. В этой статье мы отдельно рассмотрим работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора

Основой устройства биполярного транзистора является полупроводниковый материал. Первые полупроводниковые кристаллы для транзисторов изготавливали из германия, сегодня чаще используется кремний и арсенид галлия. Сначала производят чистый полупроводниковый материал с хорошо упорядоченной кристаллической решеткой. Затем придают необходимую форму кристаллу и вводят в его состав специальную примесь (легируют материал), которая придаёт ему определённые свойства электрической проводимости. Если проводимость обуславливается движением избыточных электронов, она определяется как донорная (электронная) n-типа. Если проводимость полупроводника обусловлена последовательным замещением электронами вакантных мест, так называемых дырок, то такая проводимость называется акцепторной (дырочной) и обозначается проводимостью p-типа.

Рисунок 1.

Кристалл транзистора состоит из трёх частей (слоёв) с последовательным чередованием типа проводимости (n-p-n или p-n-p). Переходы одного слоя в другой образуют потенциальные барьеры. Переход от базы к эмиттеру называется эмиттерным (ЭП), к коллектору – коллекторным (КП). На рисунке 1 структура транзистора показана симметричной, идеализированной. На практике при производстве размеры областей значительно ассиметричны, примерно как показано на рисунке 2. Площадь коллекторного перехода значительно превышает эмиттерный. Слой базы очень тонкий, порядка нескольких микрон.

Рисунок 2.

Принцип действия биполярного транзистора

Любой p-n переход транзистора работает аналогично диоду. При приложении к его полюсам разности потенциалов происходит его “смещение”. Если приложенная разность потенциалов условно положительна, при этом p-n переход открывается, говорят, что переход смещён в прямом направлении. При приложении условно отрицательной разности потенциалов происходит обратное смещение перехода, при котором он запирается. Особенностью работы транзистора является то, что при положительном смещении хотя бы одного перехода, общая область, называемая базой, насыщается электронами, или электронными вакансиями (в зависимости от типа проводимости материала базы), что обуславливает значительное снижение потенциального барьера второго перехода и как следствие, его проводимость при обратном смещении.

Режимы работы

Все схемы включения транзистора можно разделить на два вида: нормальную и инверсную.

Рисунок 3.

Нормальная схема включения транзистора предполагает изменение электрической проводимости коллекторного перехода путём управления смещением эмиттерного перехода.

Инверсная схема, в противоположность нормальной, позволяет управлять проводимостью эмиттерного перехода посредством управления смещением коллекторного. Инверсная схема является симметричным аналогом нормальной, но в виду конструктивной асимметрии биполярного транзистора малоэффективна для применения, имеет более жёсткие ограничения по максимально допустимым параметрам и практически не используется.

При любой схеме включения транзистор может работать в трёх режимах: Режим отсечки, активный режим и режим насыщения.

Для описания работы направление электрического тока в данной статье условно принято за направление электронов, т.е. от отрицательного полюса источника питания к положительному. Воспользуемся для этого схемой на рисунке 4.

Рисунок 4.

Режим отсечки

Для p-n перехода существует значение минимального напряжения прямого смещения, при котором электроны способны преодолеть потенциальный барьер этого перехода. То есть, при напряжении прямого смещения до этой пороговой величины через переход не может протекать ток. Для кремниевых транзисторов величина такого порога равна примерно 0,6 В. Таким образом, при нормальной схеме включения, когда прямое смещение эмиттерного перехода не превышает 0,6 В (для кремниевых транзисторов), ток через базу не протекает, она не насыщается электронами, и как следствие отсутствует эмиссия электронов базы в область коллектора, т.е. ток коллектора отсутствует (равен нулю).

Таким образом, для режима отсечки необходимым условием являются тождества:

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с дву­мя взаимодействующими р-n-переходами и с тремя выводами (рис. 1.15). В зависимости от чередования легированных областей различают транзисторы n-p-n-типа (рис. 1.15, а) и р-n-р-типа (рис, 1.15, б).

На рис. 1.15, в, г даны условные обозначения транзисторов п-р-п- и р-n-р-типов, соответственно. Выводы транзисторов обозначаются: Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор.

Эмиттерная и коллекторная области отличаются тем, что в эмиттерной об­ласти концентрация примесей много больше, чем в коллекторной об­ласти. Переход, возникающий между эмиттером и базой, называется эмиттерным переходом, а переход, возникающий между коллектором и базой – коллекторным.

На рис. 1.16 приведена схема включения транзистора с подключен­ными источниками постоянного напряжения и коллекторным рези­стором. В этой схеме с корпусом соединен вывод базы транзистора. Поэтому эту схему называют схемой включения транзистора с общей базой (ОБ).

Различают четыре режима работы биполярного транзистора:

1) активный режим– открыт эмиттерный переход и закрыт коллекторный переход (рис. 1.16);

2) режим отсечки– оба р-n-перехода закрыты, и существенного тока через транзистор нет.

Для получения этого режима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника Е_Э на противоположную;

1) режим насыщения– два р-n-перехода транзистора открыты и через них протекают прямые токи. Для получения этого ре­жима необходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить полярность источника Е_К на противопо­ложную;

2) инверсный режим – открыт коллекторный переход и за­крыт эмиттерный переход. Для получения этого режима не­обходимо в схеме (см. рис. 1.16) изменить на противоположные полярности источников Е_К и Е_Э.

Для усиления и преобразования сигналов в основном используется активный режим работы. Работа биполярного транзистора в активном режиме основана на явлении диффузии, а также на эффекте дрейфа носителей заряда в электрическом поле.

Работа транзи­стора в активном режиме

Рассмотрим работу транзи­стора в активном режиме на примере транзистора р-n-р-типа (рис. 1.16). В этом режиме эмиттерный переход транзистора открыт. Откры­вающее напряжение равно Е_Э = 0,4…0,7 В.

Через открытый эмиттерный переход течет ток i_Э (i_Э = 0,1…10 мА для маломощного транзистора). Как правило, в эмиттерной области транзистора кон­центрация акцепторных примесей во много раз больше концентрации донорных примесей в базовой n-области транзистора. Поэтому кон­центрация дырок в области эмиттера много больше концентрации электронов в области базы, и практически весь ток эмиттера – это дырочный ток.

В одиночном p-n-переходе при диффузии дырок в п-область происходит полная рекомбинация инжектированных дырок с электронами п-области. В эмиттерном переходе транзистора происходит такой же процесс. Благодаря этому процессу возникает ток базы i_Б (см. рис. 1.16). Однако в транзисторе происходят более сложные процессы.

Главной особенностью конструкции транзистора является относи­тельно тонкая базовая область. Ширина базы (W) в транзисторе много меньше длины свободного пробега дырок (L). У современных кремниевых транзисторов W » 1 мкм, а диффузионная длина L = 5…10 мкм. Следовательно, подавляющее большинство дырок достигают коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с элек­тронами базы. Попадая в обратно смещенный коллекторный переход, дырки дрейфуют (и ускоряются) в имеющемся поле перехода.

Пройдя коллекторный переход, дырки рекомбинируют с электронами, подтекающими к коллектору от источника питания (Е_К). Отметим, что этот дырочный ток во много раз превышает собственный обратный ток закрытого коллекторного перехода и практически полностью определяет ток коллектора (i_К) транзистора.

Из анализа активного режима (рис. 1.16) следует уравнение для токов транзистора:

В этом уравнении ток базы много меньше тока эмиттера и тока коллектора, а
ток коллектора практически равен току эмиттера транзистора.

Соотношения между токами в транзисторе характеризуются двумя параметрами:

коэффициентом передачи тока эмиттера

и коэффициентом передачи тока базы

Используя формулу (1.2), полу­чим формулу взаимосвязи коэффициентов передачи:

Значения коэффициентов α и β зависят от конструкции транзисто­ра. Для большинства маломощных транзисторов, используемых в уст­ройствах связи и в компьютерах, коэффициент b = 20…200, а коэф­фициент a = 0,95…0,995.

Усилительные свойства транзистора

Рассмотрим усилительные свойства транзистора. Пусть на входе транзистора имеется напряжение Е_Э = 0,5 В. И пусть это напряжение создает ток i_Э = 5 мА. Мощность, расходуемая на управление транзистором, равна:

Пусть сопротивление полезной нагрузки в коллекторной цепи транзистора (рис. 1.17) равно R_К = 1 кОм. По нагрузочному резистору протекает коллекторный ток, примерно равный эмиттерному току транзистора: i_K » i_Э. Выходная мощность, выделяющаяся на нагрузке, равна:

Следовательно, в схеме (см. рис. 1.17) обеспечивается десятикратное усиление по мощности. Заметим, что для обеспечения такого усиления требуется, чтобы на коллекторный переход было подано большое запирающее напряжение:

Е_К > U_K,

где U_K = i_KR_K – падение напряжения на нагрузочном сопротивлении в цепи коллектора.

Увеличенная энергия выходного сигнала обеспечивается источником питания в коллекторной цепи.

Рассмотрим другие режимы работы транзистора:

· в режиме насыщения возникает прямой ток коллекторного перехода. Его направление противоположно направлению диффузионного тока дырок. Результирующий ток коллектора резко уменьшается, и резко ухудшаются усилительные свойства транзистора;

· редко используется транзи­стор в инверсном режиме, так как инжекционные свойства коллектора много хуже инжекционных свойств эмиттера;

· в режиме отсечки все токи через транзистор практически равны нулю – оба перехода тран­зистора закрыты, и усилительные свойства транзистора не проявляют­ся.

Кроме рассмотренной схемы включения транзистора с общей базой используются две другие схемы:

1) при соединении с корпусом эмиттера транзистора получим схему с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 1.17). Схема ОЭ наиболее часто встречается на практике;

2) при соединении с корпусом коллектора транзистора получим схему с общим коллектором (ОК). В этих схемах управляющее напряжение подается на базовый вывод транзистора.

Зависимости токов через выводы транзистора от приложенных к транзистору напряжений называют вольт-амперными характеристи­ками (ВАХ) транзистора.

Для схемы с общим эмиттером (рис. 1.17) ВАХ транзистора имеют вид (рис. 1.18, 1.19). Аналогичные графики можно получить для схемы с общей базой. Кривые (см. рис. 1.18) называются входными характеристиками транзистора, так как они показывают зависимость входного тока от управляющего входного напряжения, подаваемого между базой и эмиттером транзистора. Входные характеристики транзистора близки к характеристикам р-n-перехода.

Зависимость входных характеристик от напряжения на коллекторе объясняется увеличением ширины кол­лекторного перехода и, следовательно, уменьшением толщины базы при увеличении обратного напряжения на коллекторе транзистора (эффект Эрли).

Кривые (см. рис. 1.19) называются выходными характеристиками транзи­стора. Их используют для определения коллекторного тока транзистора. Увеличению коллекторного тока соответствует увеличе­ние управляющего напряжения на базе транзистора:

При u_КЭ £ U_НАС (см. рис. 1.19) напряжение на коллекторе транзистора ста­новится меньше напряжения на базе. В этом случае открывается кол­лекторный переход транзистора, и возникает режим насыщен
ия, при котором ток коллектора резко уменьшается.

При большом напряжении на коллекторе ток коллектора начинает возрастать, так как возникает процесс лавинного (или теплового) про­боя коллекторного перехода транзистора.

Из анализа ВАХ транзистора следует, что транзистор, как и диод, относится к нелинейным элементам. Однако в активном режиме при u_КЭ > U_НАС ток коллектора транзистора изменяется примерно прямо пропорционально приращениям входного управляющего напряжения на базе транзистора, т.е. выходная цепь транзистора близка по свойствам к идеальному управляемому источнику тока. Ток коллектора в активном режиме практически не зависит от нагрузки, подключаемой к коллектору транзистора.

На рис. 1.20 показана простейшая линейная эквивалентное схема транзистора, полученная для активного режима работы при подаче на транзистор малых по амплитуде переменных сигналов (U_m

“>