Биполярные транзисторы

Такие приборы представляют собой систему из двух p-n переходов близко расположенных друг относительно друга. В зависимости от порядка чередовании слоев полупроводников с разными типами проводимости возможны два варианта таких структур - n-p-n и p-n-pтранзисторы. Выводы от крайних слоев полупроводника называются эмиттер и коллектор, а вывод от среднего слоя – базой (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Структура и условные обозначения

биполярных транзисторов.

Из структуры транзистора следует, что это комбинация из двух встречно включенных диодов.

Однако при изготовлении транзисторов базу делают очень тонкой, чтобы попавшие в нее носители успели пройти ее без рекомбинации. Это обеспечивает возможность усиления транзистором мощности электрических сигналов, то есть мощность, снимаемая с выходной цепи, будет больше мощности, подаваемой во входную цепь. Транзистор не является симметричной структурой, так как площадь коллекторного перехода делается больше площади эмиттерного и степень легирования у соответствующих слоев полупроводника различна.

Для обеспечения работы транзистора необходимы источники питания входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из его электродов соединен с общей точкой источников, возможны три основные схемы включения транзистора (рис. 3.2). Они называются: схема с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Параметры и усилительные свойства транзистора оказываются определенным образом связанными со схемой его включения.

Рис. 3.2. Схемы включения n-p-n транзистора.

При использовании транзисторов противоположного типа проводимости полярность источников питания должна быть изменена на противоположную.

Если рассматривать n-p-n-транзистор, то в отсутствии внешних электрических полей (рис. 3.3) установится динамическое равновесие между дрейфовыми и диффузионными токами, протекающими через оба p-n перехода.

Рис.3.3. n-p-n-транзистор в отсутствии внешних

электрических полей.

Так как у транзистора три вывода, то один из них может считаться общим (например, база) и относительно него подаются напряжения на другие электроды. При этом полярность напряжений можно выбирать произвольно, например, так как показано в таблице.

Э	Б	К
-	+	-	+
-	+	+	-
+	-	-	+
+	-	+	-
ЕЭ	ЕК

В первом случае полярность внешних источников такова, что эмиттерный переход оказывается открытым, а коллекторный - запертым. Для прямо смещенного p-n-перехода потенциальный барьер на границе эмиттер-база уменьшится, начнется инжекция электронов из эмиттера в базу и, соответственно, инжекция дырок из базы в эмиттер (рис. 3.4).

Рис.3.4. Распределение токов в транзисторе при

открытом эмиттерном и запертом коллекторном переходах.

Через эмиттерный переход потечет ток . Хотя дырки и электроны движутся в разные стороны, но из-за того, что их заряды имеют противоположные знаки, направление токов будет одинаковым, как показано на рисунке. Дырочная составляющая замыкается через источник , а электронная попав в область базы, вызывает установление неравновесной концентрация электронов по ее длине. Их больше у эмиттерного перехода, где происходит процесс инжекции, и практически нет у коллекторного.

Под действием этой разности концентраций возникает диффузионное движение электронов (неосновных носителей) к коллекторному переходу. Попав в область действия его поля, они втянутся им, и будут далее дрейфовать в сторону коллекторного вывода. Через запертый p-n-переход потечет электрический ток, который может достигать больших значений.

В p-n-переходе при обратном напряжении через него течет некоторый ток (обратный). Он обусловлен перемещением неосновных носителей, которых очень мало, поэтому и ток мал. Но в транзисторе эмиттер вводит (инжектирует) неосновные носители в область базы. То их количество, которое дойдет до коллекторного перехода, и будет формировать коллекторный ток . Так как часть из инжектированных электронов успеет рекомбинировать с дырками в базе, то .

Коллекторный ток станет равным нулю, когда все введенные в базу носители успеют рекомбинировать, либо если прекратить инжекцию. Однако, из-за наличия собственных неосновных носителей в слоях базы и коллектора и под действием запирающего напряжения на этом переходе, через него потечет обратный ток . Он так же, как и обратный ток диодов, сильно зависит от температуры и поэтому иногда называется тепловым.

Эмиттерный ток определяется величиной напряжения источника , которое (поскольку соответствующий переход открыт), имеет порядок долей вольта. На управление эмиттерным током при этом затрачивается мощность . Если весь поток электронов, инжектированный в базу, достигает коллектора, то мощность, выделяемая в выходной цепи, будет равна . Так как коллекторный переход закрыт, то , а значит и . То есть, затратив некоторую мощность во входной цепи, можно управлять мощностью в выходной цепи значительно большей, чем на входе. Таким образом, транзистор обеспечивает усиление сигнала по мощности. Выходная мощность не увеличивается сама по себе, она потребляется от источника питания, а транзистор этим процессом лишь управляет.

Усиление по мощности будет тем больше, чем ближе значения токов и. Их отношение обозначается буквой и называется коэффициентом передачи эмиттерного тока. Чем ближе к единице, тем, усилительные свойства транзистора лучше. Чтобы этого добиться, ток инжекции дырок из базы и ток рекомбинации электронов должны быть близки к нулю. Это возможно, если концентрация дырок в базе много меньше, чем концентрация электронов в эмиттере и если база имеет малую толщину. Последнее условие необходимо для того, чтобы инжектированные носители успевали диффундировать к коллектору без рекомбинации. Поэтому создать транзистор, соединив два диода невозможно.

Отношение электронной составляющей тока эмиттера к полному току называется коэффициентом инжекции

,

а отношение тока коллектора к электронной составляющей эмиттерного тока – коэффициентом переноса . Так как то, умножив числитель и знаменатель на , получим .

Обычно суммарный ток инжекции дырок и рекомбинации называют базовым током . Тогда уравнение токов для транзистора при рассматриваемой схеме включения может быть записано в виде . Полный ток коллектора с учетом обратного представляется следующим образом: .

Полярность напряжений источников питания, для которой рассматривалась работа транзистора, соответствует его функционированию в активном режиме, при этом ток коллектора меняется пропорционально изменениям .

Рис.3.5. Распределение токов в транзисторе при

открытом эмиттерном и коллекторном переходах.

Если полярность коллекторной источника изменить (рис. 3.5), то коллекторный переход откроется, начнется встречная инжекция электронов в базу и никаких диффузионных процессов происходить не будет. В этом случае коллекторный и эмиттерный токи перестанут зависеть друг от друга. Они будут определяться только величинами напряжений источников питания.

Рис.3.6. Распределение токов в транзисторе при

закрытом эмиттерном и коллекторном переходах.

Если на оба перехода подать запирающее напряжение (рис. 3.6), то транзистор перейдет в режим отсечки, через оба перехода потекут неуправляемые обратные токи очень малой величины, и транзистор не будет обладать усилительными свойствами.

Рис.3.7. Инверсное включение транзистора

Включение транзистора, при котором эмиттерный переход заперт, а коллекторный открыт, называется инверсным (рис. 3.7). Эта ситуация аналогична первому варианту включения, только коллектор будет выполнять функции эмиттера, а эмиттер – функции коллектора. Процессы, которые при этом происходят, аналогичны процессам для активного режима транзистора, то есть .

Однако так как реальный транзистор не является симметричной структурой, то всегда меньше . Одна из причин этого состоит в том, что площадь коллектора (собирающего перехода) делается больше площади эмиттерного, а степень его легирования меньше, чем у эмиттерного слоя. Структура реального транзистора может быть представлена следующим образом.

Аналогичные рассуждения справедливы и для транзистора p-n-p типа, необходимо только учитывать противоположные типы носителей и поменять полярность источников питания.

Параметры реальных транзисторов определенным образом зависят от режимов работы. В частности коэффициент передачи коллекторного тока a меняется при изменении эмиттерного тока как показано на рис. 3.8.

Рис. 3.8. Зависимость коэффициента передачи

от эмиттерного тока транзистора в схеме с общей базой.

Дело в том, что при малых токах эмиттера разность концентраций электронов в областях эмиттерного и коллекторного переходов невелика. При этом интенсивность процесса диффузии носителей мала и большинство электронов успевают рекомбинировать с дырками в области базы, вследствие чего ток коллектора будет много меньше эмиттерного. При больших токах уменьшается коэффициент инжекции g, так как концентрация свободных носителей у эмиттерного перехода становится очень большой. Кроме этого возрастают потери на рекомбинацию и начинает проявляться эффект вытеснения эмиттерного тока, который можно пояснить на примере транзистора плоской (планарной) конструкции следующим образом (рис. 3.9).

Рис.3.9. Эффект вытеснения эмиттерного тока транзистора.

При больших токах эмиттера и базы, из-за падения напряжения на ее области, потенциал эмиттерного слоя близкого к центру окажется более положительным. Это приведет к снижению инжекции соответствующей области эмиттера и уменьшению коллекторного тока. В удаленном от базы крае эмиттера такой эффект проявляется слабее, то есть центр области эмиттера как бы экранируется краями. Для борьбы с данным явлением увеличивают длину (периметр) эмиттера, выполняя его в виде гребенки, змейки и т.п.

Коэффициент передачи коллекторного тока a зависит и от напряжения коллектор-база, возрастая с его увеличением. График этой зависимости (рис. 3.10) соответствует графику связи тока коллектора от Е_БК и имеет следующий вид.

Рис. 3.10. Зависимость коэффициента передачи

коллекторного тока от напряжения коллектор – база.

Основной причина такой зависимости является модуляция толщины базы (эффект Эрли). Так как коллекторный переход заперт, то область, обедненная свободными носителями, занимает в базе некоторое пространство (рис.3.11). Свободных носителей там нет и, соответственно будет отсутствовать рекомбинация инжектированных эмиттером электронов. С ростом напряжения Е_БК, будет возрастать область (ширина) коллекторно-базового p-n перехода и, следовательно, начнет сужаться область базы. При этом из-за снижения вероятности рекомбинации уменьшается ток , возрастает ток коллектора а, следовательно, и a.

Рис.3.11. Эффект модуляции толщины базы транзистора.

В транзисторах с тонкой базой, при больших значениях напряжений Е_БК может произойти смыкание областей коллекторного и эмиттерного переходов - прокол базы, что вызывает резкое увеличение коллекторного тока из-за короткого замыкания источника Е_БК и может привести к разрушению транзистора. Кроме этого при повышении напряжения на коллекторе может произойти электрический, а затем и тепловой пробой.

Вследствие конечной скорости носителей, инжектированные эмиттером, электроны достигнут коллектора, через некоторое время.

Рис.3.12. Зависимость тока коллектора

от времени при импульсном воздействии.

При подаче на эмиттерный переход запирающего напряжения, накопленные в базе неосновные носители в течение некоторого времени будут выводиться из нее (рассасываться). На этом интервале они продолжат втягиваться полем источника Е_БК в коллекторную область, вызывая протекание коллекторного тока (рис.3.12) Таким образом, при резком изменении эмиттерного тока, изменения эмиттерного будут запаздывать.

Если импульс эмиттерного напряжения очень короткий, то часть электронов инжектированных им, окажется перехваченной полем запертого (в момент окончания импульса) эмиттерного перехода и импульс коллекторного тока станет меньше, следовательно, станет меньше и коэффициент его передачи a.

Рис.3.13. Зависимость a от частоты.

Чем короче импульсы и выше частота их следования, тем сильнее будет проявляться данный эффект. Поэтому зависимость a от частоты всегда имеет падающий характер (рис.3.13). Частота, на которой a падает в √2 раз, называется предельной частотой усиления в схеме с общей базой и обозначается ƒ_a. В качестве частотных параметров транзистора используются также – граничная частота (на ней a становится равной 0,5) и – предельная частота генерации. При достижении этой частоты коэффициент усиления транзистора по мощности падает до единицы и транзистор теряет свои усилительные свойства.

Дата добавления: 2014-01-06