В этой статье постараемся описать принцип работы самого распространенного типа транзистора — биполярного. Биполярный транзистор является одним из главных активных элементов радиоэлектронных устройств. Предназначение его – работа по усилению мощности электрического сигнал поступающего на его вход. Усиление мощности осуществляется посредством внешнего источника энергии. Транзистор — это радиоэлектронный компонент, обладающий тремя выводами

Конструкционная особенность биполярного транзистора

Для производства биполярного транзистора нужен полупроводник дырочного или электронного типа проводимости, который получают методом диффузии либо сплавления акцепторными примесями. В результате этого с обоих сторон базы образуются области с полярными видами проводимостей.

Биполярные транзисторы по проводимости бывают двух видов: n-p-n и p-n-p. Правила работы, которым подчинен биполярный транзистор, имеющий n-p-n проводимость (для p-n-p необходимо поменять полярность приложенного напряжения):

1. Положительный потенциал на коллекторе имеет большее значение по сравнению с эмиттером.
2. Любой транзистор имеет свои максимально допустимые параметры Iб, Iк и Uкэ, превышение которых в принципе недопустимо, так как это может привести к разрушению полупроводника.
3. Выводы база — эмиттер и база — коллектор функционируют наподобие диодов. Как правило, диод по направлению база — эмиттер открыт, а по направлению база — коллектор смещен в противоположном направлении, то есть поступающее напряжение мешает протеканию электрического тока через него.
4. Если пункты с 1 по 3 выполнены, то ток Iк прямо пропорционален току Iб и имеет вид: Iк = hэ21*Iб, где hэ21 является коэффициентом усиления по току. Данное правило характеризует главное качество транзистора, а именно то, что малый ток базы оказывает управление мощным током коллектора.

Для разных биполярных транзисторов одной серии показатель hэ21 может принципиально разниться от 50 до 250. Его величина так же зависит от протекающего тока коллектора, напряжения между эмиттером и коллектором, и от температуры окружающей среды.

Изучим правило №3. Из него вытекает, что напряжение, приложенное между эмиттером и базой не следует значительно увеличивать, поскольку, если напряжение базы будет больше эмиттера на 0,6…0,8 В (прямое напряжение диода), то появится крайне большой ток. Таким образом, в работающем транзисторе напряжения на эмиттере и базе взаимосвязаны по формуле: Uб =Uэ + 0,6В (Uб=Uэ+Uбэ)

Еще раз напомним, что все указанные моменты относятся к транзисторам, имеющим n-p-n проводимость. Для типа p-n-p все следует изменить на противоположное.

Еще следует обратить внимание на то, что ток коллектора не имеет связи с проводимостью диода, поскольку, как правило, к диоду коллектор — база поступает обратное напряжение. В добавок, ток протекающий через коллектор весьма мало зависит от потенциала на коллекторе (данный диод аналогичен малому источнику тока)

При включении транзистора в режиме усиления, эмиттерный переход получается открытым, а переход коллектора закрыт. Это получается путем подключения источников питания.

Поскольку эмиттерный переход открыт, то через него будет проходить эмиттерный ток, возникающий из-за перехода дырок из базы в эмиттер, а так же электронов из эмиттера в базу. Таки образом, ток эмиттера содержит две составляющие – дырочную и электронную. Коэффициент инжекции определяет эффективность эмиттера. Инжекцией зарядов именуют перенос носителей зарядов из зоны, где они были основными в зону, где они делаются неосновными.

В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе восполняется от плюса источника ЕЭ. В результате этого в электрической цепи базы будет течь довольно слабый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под разгоняющим воздействием поля запертого коллекторного перехода, как неосновные носители, будут перемещаться в коллектор, создавая коллекторный ток. Перенос носителей зарядов из зоны, где они были неосновными, в зону, где они становятся основными, именуется экстракцией электрических зарядов.

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.

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 h21e , в зависимости от специфики расчетов, проводимых с транзистором.

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

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 h21e , 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)).

В зависимости от принципа действия и конструктивных признаков транзисторы подразделяются на два больших класса: биполярные и полевые .

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими между собой р-п-переходами и тремя или более выводами.

Полупроводниковый кристалл транзистора состоит из трех областей с чередующимися типами электропроводности, между которыми находятся два р-п -перехода. Средняя область обычно выполняется очень тонкой (доли микрона), поэтому р-п -переходы близко расположены один от другого.

В зависимости от порядка чередования областей полупроводника с различными типами электропроводности различают транзисторы р-п-р и п-р-п- типов. Упрощенные структуры и УГО разных типов транзисторов показаны на рисунке 1.23, а , б .

Рисунок 1.23 - Структура и УГО биполярных транзисторов

Биполярный транзистор является наиболее распространенным активным полупроводниковым прибором. В качестве основного материала для изготовления биполярных транзисторов в настоящее время используется кремний. При этом преимущественно изготовляют транзисторы п-р-п -типа, в которых основными носителями заряда являются электроны, имеющие подвижность в два-три раза выше, чем подвижность дырок.

Управление величиной протекающего в выходной цепи (в цепи коллектора или эмиттера) биполярного транзистора тока осуществляется с помощью тока в цепи управляющего электрода - базы . Базой называется средний слой в структуре транзистора. Крайние слои называются эмиттер (испускать, извергать) и коллектор (собирать). Концентрация примесей (а, следовательно, и основных носителей зарядов) в эмиттере существенно больше, чем в базе и больше, чем в коллекторе. Поэтому эмиттерная область самая низкоомная .

Для иллюстрации физических процессов в транзисторе воспользуемся упрощенной структурой транзистора п-р-п- типа, приведенной на рисунке 1.24. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что р-п -переходы транзистора сильно взаимодействуют друг с другом. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот.

В активном режиме (когда транзистор работает как усилительный элемент) к транзистору подключают два источника питания таким образом, чтобы эмиттерный переход был смещен в прямом направлении , а коллекторный - в обратном (рисунок 1.24). Под действием электрического поля источника Е БЭ через эмиттерный переход течет достаточно большой прямой ток I Э, который обеспечивается, главным образом, инжекцией электронов из эмиттера в базу Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительной вследствие указанного выше различия в концентрациях атомов примесей.

Рисунок 1.24 - Физические процессы в биполярном транзисторе

Поток электронов, обеспечивающий ток I Э через переход эмиттер - база показан на рисунке 1.24 широкой стрелкой. Часть инжектированных в область базы электронов (1 … 5%) рекомбинируют с основными для этой области носителями заряда - дырками, образуя во внешней цепи базы ток I Б. Вследствие большой разности концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и базе, нескомпенсированные инжектированные в базу электроны движутся в глубь ее по направлению к коллектору .

Вблизи коллекторного р-п- перехода электроны попадают под действие ускоряющего электрического поля этого обратносмещенного перехода. А поскольку в базе они являются неосновными носителями, то происходит втягивание (экстракция ) электронов в область коллектора. В коллекторе электроны становятся основными носителями зарядов и легко доходят до коллекторного вывода, создавая ток во внешней цепи транзистора.

Таким образом, ток через базовый вывод транзистора определяют две встречно направленные составляющие тока . Если бы в базе процессы рекомбинации отсутствовали, то эти токи были бы равны между собой, а результирующий ток базы был бы равен нулю. Но так как процессы рекомбинации имеются в любом реальном транзисторе, то ток эмиттерного p-n -перехода несколько больше тока коллекторного p-n -перехода.

Для тока коллектора можно записать следующее равенство

, (1.9)

где a ст - статический коэффициент передачи тока эмиттера;

I КБО - обратный ток коллекторного перехода (тепловой ток) (у транзисторов малой мощности при нормальной температуре составляет 0, 015 ... 1 мкА).

На практике статический коэффициент передачи тока эмиттера a ст , взависимости от типа транзистора, может принимать значения в диапазоне 0,95 … 0,998.

Ток эмиттера в транзисторе численно является самым большим и равен

, (1.11)

где - статический коэффициент передачи тока базы в схеме с общим эмиттером (в справочной литературе используется обозначение h 21Э , обычно принимает значение b ст = 20 … 1000 в зависимости от типа и мощности транзистора).

Из ранее сказанного следует, что транзистор представляет собой управляемый элемент, поскольку значение его коллекторного (выходного) тока зависит от значений токов эмиттера и базы.

Заканчивая рассмотрение принципа работы биполярного транзистора, следует отметить, что сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода (при подаче на него обратного напряжения) очень велико (сотни килоом). Поэтому в цепь коллектора можно включать нагрузочные резисторы с весьма большими сопротивлениями , тем самым практически не изменяя значения коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки будет выделяться значительная мощность.

Сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (десятки - сотни Ом). Поэтому при почти одинаковых значениях эмиттерного и коллекторного токов мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается существенно меньше мощности, выделяемой в цепи нагрузки. Это указывает на то, что транзистор является полупроводниковым прибором, усиливающим мощность .

Технология изготовления биполярных транзисторов может быть различной: сплавление , диффузия , эпитаксия . Это в значительной мере определяет характеристики прибора. Типовые структуры биполярных транзисторов, изготовленных различными методами, приведены на рисунке 1.25. В частности, на рисунке 1.25, а показана структура сплавного , на рисунке 1.25, б - эпитаксиально -диффузионного , на рисунке 1.25, в - планарного , на рисунке 1.25, г - мезапланарного транзисторов .

Рисунок 1.25 - Способы изготовления биполярных транзисторов

Режимы работы и схемы включения транзистора

На каждый р-п- переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы биполярного транзистора: режим отсечки , режим насыщения , активный режим и инверсный режим.

Активный режим обеспечивается подачей на эмиттерный переход прямого напряжения, а на коллекторный - обратного (основной режим работы транзистора). Этот режим соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера и обеспечивает минимальное искажение усиливаемого сигнала.

В инверсном режиме к коллекторному переходу приложено прямое напряжение, к эмиттерному - обратное (a ст ® min; используется очень редко).

В режиме насыщения оба перехода находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратных направлениях. Выходной ток близок к нулю.

Режимы насыщения и отсечки используется одновременно в ключевых схемах (при работе транзистора в ключевом режиме).

При использовании транзистора в электронных устройствах нужны два вывода для подачи входного сигнала и два вывода для подключения нагрузки (снятия выходного сигнала). Поскольку у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим для входного и выходного сигналов.

В зависимости от того, какой вывод транзистора является общим при подключении источника сигнала и нагрузки, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ) (рисунок 1.26, а ); с общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 1.26, б ); с общим коллектором (ОК) (рисунок 1.26, в ).

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току, то есть необходимые значения напряжений и начальных токов. Входные сигналы переменного тока создаются источниками и вх. Они изменяют ток эмиттера (базы) транзистора, а, соответственно, и ток коллектора. Приращения тока коллектора (рисунок 1.26, а , б ) и тока эмиттера (рисунок 1.26, в ) создадут, соответственно, на резисторах R К и R Э приращения напряжений, которые и являются выходными сигналами и вых .

а б в

Рисунок 1.26 - Схемы включения транзистора

При определении схемы включения транзистора необходимо учитывать то, что сопротивление источника постоянного напряжения для переменного тока близко к нулю.

Вольт-амперные характеристики транзистора

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью статических вольт-амперных характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора. Поскольку все три тока (базовый, коллекторный и эмиттерный) в транзисторе тесно взаимосвязаны, при анализе работы транзистора необходимо пользоваться одновременно входными и выходными ВАХ.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений. Из-за нелинейного характера указанных зависимостей их представляют обычно в графической форме.

Транзистор, как четырехполюсник, характеризуется входными и выходными статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения (при постоянном значении выходного напряжения транзистора) и выходного тока от выходного напряжения (при постоянном входном токе транзистора).

На рисунке 1.27 показаны статические ВАХ р-п-р -транзистора, включенного по схеме с ОЭ (наиболее часто применяемой на практике).

а б

Рисунок 1.27 - Статические ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Входная ВАХ (рисунок 1.27, а ) подобна прямой ветви ВАХ диода. Она представляет собой зависимость тока I Б от напряжения U БЭ U КЭ , то есть зависимость вида

. (1.12)

Из рисунка 1.27, а видно: чем больше напряжение U КЭ , тем правее смещается ветвь входной ВАХ. Это объясняется тем, что при увеличении обратносмещающего напряжения U КЭ происходит увеличение высоты потенциального барьера коллекторного р -п -перехода. А поскольку в транзисторе коллекторный и эмиттерный р -п -переходы сильно взаимодействуют, то это, в свою очередь, приводит к уменьшению базового тока при неизменном напряжении U БЭ .

Статические ВАХ, представленные на рисунке 1.27, а , сняты при нормальной температуре (20 °С). При повышении температуры эти характеристики будут смещаться влево, а при понижении - вправо. Это связано с тем, что при повышении температуры повышается собственная электропроводность полупроводников.

Для выходной цепи транзистора, включенного по схеме с ОЭ, строится семейство выходных ВАХ (рисунок 1.27, б ). Это обусловлено тем, что коллекторный ток транзистора зависит не только (и не столько, как видно из рисунка) от напряжения, приложенного к коллекторному переходу, но и от тока базы. Таким образом, выходной вольт-амперной характеристикой для схемы с ОЭ называется зависимость тока I К от напряжения U КЭ при фиксированном токе I Б , то есть зависимость вида

. (1.13)

Каждая из выходных ВАХ биполярного транзистора характеризуется в начале резким возрастанием выходного тока I К при возрастании выходного напряжения U КЭ , а затем, по мере дальнейшего увеличения напряжения, незначительным изменением тока.

На выходной ВАХ транзистора можно выделить три области, соответствующие различным режимам работы транзистора: область насыщения , область отсечки и область активной работы (усиления), соответствующая активному состоянию транзистора, когда ½U БЭ ½ > 0 и ½U КЭ ½> 0.

Входные и выходные статические ВАХ транзисторов используют при графо-аналитическом расчете каскадов, содержащих транзисторы.

Статические входные и выходные ВАХ биполярного транзистора р -п -р -типа для схемы включения с ОБ приведены на рисунке 1.28, а и 1.28, б соответственно.

а б

Рисунок 1.28 - Статические ВАХ биполярного транзистора для схемы включения с ОБ

Для схемы с ОБ входной статической ВАХ называют зависимость тока I Э от напряжения U ЭБ при фиксированном значении напряжения U КБ , то есть зависимость вида

. (1.14)

Выходной статической ВАХ для схемы с ОБ называется зависимость тока I К от напряжения U КБ при фиксированном токе I Э , то есть зависимость вида

. (1.15)

На рисунке 1.28, б можно выделить две области, соответствующие двум режимам работы транзистора: активный режим (U КБ < 0 и коллекторный переход смещен в обратном направлении); режим насыщения (U КБ > 0 и коллекторный переход смещен в прямом направлении).

Математическая модель биполярного транзистора

К настоящему времени известно много электрических моделей биполярных транзисторов. В системах автоматизации проектирования (САПР) радиоэлектронных средств наиболее часто используются: модели Эберса-Молла , обобщенная модель управления зарядом Гуммеля-Пуна, модель Линвилла, а также локальные П- и Т-образные модели линейных приращений Джиаколлето.

Рассмотрим, в качестве примера, один из вариантов модели Эберса-Молла (рисунок 1.29), отражающей свойства транзисторной структуры в линейном режиме работы и в режиме отсечки.

Рисунок 1.29 - Схема замещения биполярного транзистора (модель Эберса-Молла)

На рисунке 1.29 использованы обозначения: r э , r б , r к - сопротивления, соответственно, эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора и контактов к ним; I б , I к - управляемые напряжением и п на входном переходе источники тока, отражающие передачу тока через транзистор; R эб - сопротивление утечки перехода база-эмиттер; R кб - сопротивление утечки перехода база-коллектор. Ток источника I б связан с напряжением на переходе соотношением

, (1.15)

где I БО - ток насыщения перехода база-эмиттер (обратный ток);

y к = (0,3 … 1,2) В - контактная разность потенциалов (зависит от типа полупроводникового материала);

т - эмпирический коэффициент.

Параллельно переходу база-эмиттер включены барьерная емкость С бэ и диффузионная емкость С дэ перехода. Величина С бэ определяется обратным напряжением на переходе и п и зависит от него по закону

, (1.16)

где С 0б - емкость перехода при и п = 0;

g = 0,3 ... 0,5 - коэффициент, зависящий от распределения примесей в области базы транзистора.

Диффузионная емкость является функцией тока I б , протекающего через переход, и определяется выражением

где А - коэффициент, зависящий от свойств перехода и его температуры.

Коллекторно-базовый переход моделируется аналогично, отличие состоит лишь в учете только барьерной емкости перехода

, (1.18)

так как при работе транзистора в линейном режиме и режиме отсечки коллекторного тока этот переход закрыт. Выражение для тока управляемого источника коллекторного тока , моделирующего усилительные свойства транзистора, имеет вид

, (1.19)

где b ст - статический коэффициент передачи тока базы транзистора в схеме с общим эмиттером.

Параметры модели Эберса-Молла могут быть получены либо расчетным путем на основе анализа физико-топологической модели транзистора, либо измерены экспериментально. Наиболее легко определяются статические параметры модели на постоянном токе.

Глобальная электрическая модель дискретного биполярного транзистора, учитывающая индуктивности и емкости его выводов, представлена на рисунке 1.30.

Рисунок 1.30 - Глобальная модель биполярного транзистора

Основные параметры биполярного транзистора

При определении переменных составляющих токов и напряжений (то есть при анализе электрических цепей на переменном токе) и при условии, что транзистор работает в активном режиме, его часто представляют в виде линейного четырехполюсника (рисунок 1.31, а ). Названия (физическая сущность) входных и выходных токов и напряжений такого четырехполюсника зависят от схемы включения транзистора.

а б

Рисунок 1.31 - Представление биполярного транзистора линейным четырехполюсником

Для схемы включения транзистора с общим эмиттером токи и напряжения четырехполюсника (рисунок 1.31, б ) соответствуют следующим токам и напряжениям транзистора:

- i 1 - переменная составляющая тока базы;

- u 1 - переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

- i 2 - переменная составляющая тока коллектора;

- u 2 - переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером.

Транзистор удобно описывать, используя так называемые h -параметры. При этом система уравнений четырехполюсника в матричном виде примет вид

. (1.20)

Коэффициенты h ij (то есть h -параметры) определяют опытным путем, используя поочередно режимы короткого замыкания и холостого хода на входе и выходе четырехполюсника.

Сущность h -параметров для схемы включения транзистора с ОЭ следующая:

- - входное сопротивление транзистора для переменного сигнала при коротком замыкании на выходе;

- r б - омическое сопротивление тела базы. У реальных транзисторов достигает значений 100 … 200 Ом;

- r э - сопротивление р -п -перехода, значение которого зависит от режима работы транзистора и меняется в активном режиме в пределах долей - десятков Ом;

B - дифференциальный коэффициент передачи тока базы, определяемый из выражения

; (1.25)

Сопротивление коллекторной области, определяемое из выражения

, (1.26)

где r к - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода (обычно находится в пределах доли - десятки МОм), определяемое из выражения

(1.27)

В свое время транзисторы пришли на смену электронным лампах. Это произошло благодаря тому, что они имеют меньшие габариты, высокую надежность и менее затратную стоимость производства. Сейчас, биполярные транзисторы являются основными элементами во всех усилительных схемах.

Представляет собой полупроводниковый элемент, имеющий трехслойную структуру, которая образует два электронно-дырочных перехода . Поэтому транзистор можно представить в виде двух встречно включенных диода . В зависимости от того, что будет являться основными носителями заряда, различают p-n-p и n-p-n транзисторы.

База – слой полупроводника, который является основой конструкции транзистора.

Эмиттером называется слой полупроводника, функция которого инжектирование носителей заряда в слой базы.

Коллектором называется слой полупроводника, функция которого собирать носители заряда прошедшие через базовый слой.

Как правило, эмиттер содержит намного большее количество основных зарядов, чем база. Это основное условие работы транзистора, потому что в этом случае, при прямом смещении эмиттерного перехода, ток будет обуславливаться основными носителями эмиттера. Эмиттер сможет осуществлять свою главную функцию – впрыск носителей в слой базы. Обратный ток эмиттера обычно стараются сделать как можно меньше. Увеличение основных носителей эмиттера достигается с помощью высокой концентрации примеси .

Базу делают как можно более тонкой . Это связано с временем жизни зарядов. Носители зарядов должны пересекать базу и как можно меньше рекомбинировать с основными носителями базы, для того чтобы достигнуть коллектора.

Для того чтобы коллектор мог наиболее полнее собирать носители прошедшие через базу его стараются сделать шире.

Принцип работы транзистора

Рассмотрим на примере p-n-p транзистора.

В отсутствие внешних напряжений, между слоями устанавливается разность потенциалов. На переходах устанавливаются потенциальные барьеры. Причем, если количество дырок в эмиттере и коллекторе одинаковое, тогда и потенциальные барьеры будут одинаковой ширины.

Для того чтобы транзистор работал правильно, эмиттерный переход должен быть смещен в прямом направлении, а коллекторный в обратном . Это будет соответствовать активному режиму работы транзистора. Для того чтобы осуществить такое подключение, необходимы два источника. Источник с напряжением Uэ подключается положительным полюсом к эмиттеру, а отрицательным к базе. Источник с напряжением Uк подключается отрицательным полюсом к коллектору, а положительным к базе. Причем Uэ < Uк.

Под действием напряжения Uэ, эмиттерный переход смещается в прямом направлении. Как известно, при прямом смещении электронно-дырочного перехода, внешнее поле направлено противоположно полю перехода и поэтому уменьшает его. Через переход начинают проходить основные носители, в эмиттере это дырки 1-5, а в базе электроны 7-8. А так как количество дырок в эмиттере больше, чем электронов в базе, то эмиттерный ток обусловлен в основном ими.

Эмиттерный ток представляет собой сумму дырочной составляющей эмиттерного тока и электронной составляющей базы.

Так как полезной является только дырочная составляющая, то электронную стараются сделать как можно меньше. Качественной характеристикой эмиттерного перехода является коэффициент инжекции .

Коэффициент инжекции стараются приблизить к 1.

Дырки 1-5 перешедшие в базу скапливаются на границе эмиттерного перехода. Таким образом, создается высокая концентрация дырок возле эмиттерного и низкая концентрация возле коллекторного перехода, в следствии чего начинается диффузионное движение дырок от эмиттерного к коллекторному переходу. Но вблизи коллекторного перехода концентрация дырок остается равной нулю, потому что как только дырки достигают перехода, они ускоряются его внутренним полем и экстрагируются (втягиваются) в коллектор. Электроны же, отталкиваются этим полем.

Пока дырки пересекают базовый слой они рекомбинируют с электронами находящимися там, например, как дырка 5 и электрон 6. А так как дырки поступают постоянно, они создают избыточный положительный заряд, поэтому, должны поступать и электроны, которые втягиваются через вывод базы и образуют базовый ток Iбр. Это важное условие работы транзистора – концентрация дырок в базе должна быть приблизительно равна концентрации электронов. Другими словами должна обеспечиваться электронейтральность базы.

Количество дырок дошедших до коллектора, меньше количество дырок вышедших из эмиттера на величину рекомбинировавших дырок в базе. То есть, ток коллектора отличается от тока эмиттера на величину тока базы.

Отсюда появляется коэффициент переноса носителей, который также стараются приблизить к 1.

Коллекторный ток транзистора состоит из дырочной составляющей Iкр и обратного тока коллектора.

Обратный ток коллектора возникает в результате обратного смещения коллекторного перехода, поэтому он состоит из неосновных носителей дырки 9 и электрона 10. Именно потому, что обратный ток образован неосновными носителями, он зависит только от процесса термогенерации, то есть от температуры. Поэтому его часто называют тепловым током .

От величины теплового тока зависит качество транзистора, чем он меньше, тем транзистор качественнее.

Коллекторный ток связан с эмиттерным коэффициентом передачи тока .

Токи в транзисторе можно представить следующим образом

Характеристики биполярных транзисторов

Статическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором отсутствует нагрузка в выходной цепи, а изменение входного тока или напряжения не вызывает изменение выходного напряжения Рис.7.

Статические характеристики транзисторов бывают двух видов: входные и выходные . На Рис.8. изображена схема установки для измерения статических характеристик транзистора, включённого по схеме с общим эмиттером.

Рис.8. Схема

измерений статических

параметров транзистора с ОЭ.

Входная статическая характеристика I Б от входного напряжения U БЭ при постоянном выходном напряжении U КЭ . Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ) при U ЭК = const.

Поскольку ветви входной статической характеристики для U КЭ > 0 расположены очень близко друг к другу и практически сливаются в одну, то на практике с достаточной точностью можно пользоваться одной усреднённой характеристикой (Рис.9а ). Особенность входной статической характеристики является наличие в нижней части нелинейного участка в районе изгиба U 1 (приблизительно 0,2…0,3 В для германиевых транзисторов и 0,3…0,4 В – для кремниевых).

Выходная статическая характеристика – это зависимость выходного тока I К от выходного напряжения U КЭ при постоянном входном токе I Б . Для схемы включения с общим эмиттером:

I К = f (U КЭ) при I Б = const.

Из Рис.9б видно, что выходные характеристики представляют собой прямые линии, почти параллельные оси напряжения. Это объясняется тем, что коллекторный переход закрыт независимо от величины напряжения база-коллектор, и ток коллектора определяется только количеством носителей заряда, проходящих из эмиттера через базу в коллектор, т. е. током эмиттера I Э .

Динамическим режимом работы транзистора называется такой режим, при котором в выходной цепи стоит нагрузочный резистор R К , за счёт которого изменение входного тока или напряжения U ВХ будет вызывать изменение выходного напряжения U ВЫХ = U КЭ (Рис.10).

Рис.9. Статические характеристики транзистора с ОЭ: а – входные; б – выходные.

Входная динамическая характеристика – это зависимость входного тока I Б от входного напряжения U БЭ при наличии нагрузки. Для схемы с общим эмиттером:

I Б = f (U БЭ)

Поскольку в статическом режиме для U КЭ > 0 мы пользуемся одной усреднённой характеристикой, то входная динамическая характеристика совпадает со входной статической (Рис.11а ).

Рис.10. Схема включения транзистора в динамическом режиме с ОЭ.

Выходная динамическая (нагрузочная) характеристика представляет собой зависимость выходного напряжения U КЭ от выходного тока I К при фиксированных значениях входного тока I Б (Рис.11б ):

U КЭ = E К – I К R К

Так как это уравнение линейное, то выходная динамическая характеристика представляет собой прямую линию и строится на выходных статических характеристиках по двум точкам, например: А , В на Рис.11б .

Координаты точки А [U КЭ = 0; I K = Е К ⁄ R К ] – на оси I K .

Координаты точки В [I K = 0; U КЭ = Е К ] – на оси U КЭ.

Координаты точки Р [U 0К; I 0 K ] – соответствуют положению рабочей точки РТ в режиме покоя (при отсутствии сигнала).

Рис.11. Динамические характеристики транзистора с ОЭ: а) – входная; б) – выходная.

Нагрузочная пряма проводится через любые две точки А, В, или Р, координаты которых известны.

В зависимости от состояния p-n переходов транзисторов различают несколько видов его работы – режим отсечки, режим насыщения, предельный и линейный режимы (Рис.11).

Режим отсечки. Это режим, при котором оба его перехода закрыты – транзистор заперт. Ток базы в этом случае равен нулю. Ток коллектора будет равен обратному току I К0 , а напряжение U КЭ = E К.

Режим насыщения – это режим, когда оба перехода – и эмиттерный и коллекторный открыты, а в транзисторе происходит свободный переход носителей зарядов. При этом ток базы будет максимальный, ток коллектора будет равен току коллектора насыщения, а напряжение между коллектором и эмиттером стремиться к нулю.

I Б = max; I К ≈ I КН; U КЭ = E К – I КН R Н; U КЭ → 0.

Предельные режимы – это режимы, работа в которых ограничена максимально-допустимыми параметрами: I К доп, U КЭ доп, P К доп (Рис.11б ) и I Б нас, U БЭ доп (Рис.11а ) и связана с перегревом транзистора или выхода его из строя.

Линейный режим – это режим, в котором обеспечивается достаточная линейность характеристик и он может использоваться для активного усиления.