Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называют полу-проводниковый прибор, основу которого состав-ляют два взаимодействующих электронно-дыроч-ных перехода и который имеет три вывода или более.

Биполярный транзистор является аналогом лампового триода, он способен выполнять усили-тельные, генераторные и ключевые функции.

Устройство биполярного транзистора, изготовленного методом сплавления, схематичес-ки представлено на рис. 9 В пластинку германия 1, легированного донорной примесью (с электронной электропроводностью), вплавлены две таблетки трехвалентного индия 3 (акцептор). В объеме германия возле пластинок индия образуются две области с дырочной электро-проводностью 2, разделенные тонким слоем базовой пластины. У границ, разделяющих р -области и базу, образуются два электронно-дырочных перехода. Переход, изображенный на рисунке слева, называется эмиттерным, справа – коллекторным. Эмиттерный, коллекторный переходы и база имеют выводы для включения прибора в электрическую цепь (э, к, б).

Толщина базового слоя, разделяющего эмиттерный и коллекторный переходы, на рисунке значительно преувеличена. Для того чтобы переходы взаимодействовали, толщина базовой прослойки между ними должна быть меньше диффузионной длины носителей заряда (т. е. меньше расстояния, которое проходят носители заряда до рекомбинации). У современных приборов толщина базы имеет порядок единиц микрометров. Кроме того, концентрацию легирующей примеси базы делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттерной и коллекторной областях.

Материалы, методы получения р - n -переходов, параметры и конструктивное оформление современных транзисторов весьма разнообразны. Мы рассмотрели сплавной германиевый транзистор, у которого тип электропроводности областей меняется в следующем порядке: р (эмиттер), n (база), р (коллектор). Такой прибор называют транзистором типа р - n - р. Он может быть изготовлен и на основе кремния n -типа.

Если в качестве базы использовать германий или кремний р -типа, а эмиттерный и коллекторный переходы образовать с помощью дозорных материалов, то получим транзистор типа n - р - n. Такие транзисторы применяют в высокочастотных схемах.

Рис. 10. Включение источников питания транзистора а) типа р - n - p и б) типа n - р - n

Принцип действия транзисторов обоих типов одинаков. Разница в том, что полярность включения источников питания для них противоположна (рис. 10). В соответствии с этим в транзисторе типа р - n - р коллекторный ток создается движением дырок, а в транзисторе типа р - n - p – движением электронов.

Рассмотрим принцип действия транзистора типа р - n - р (рис. 10, а).

Разомкнем цепь эмиттера, а коллектор оставим под напряжением указанной полярности. Коллекторный переход, как видно из рисунка, находится под обратным напряжением, при этом через него протекает небольшой ток, образованный движением неосновных носителей. Этот начальный ток у германиевых транзисторов составляет десятки, а у кремниевых – единицы микроампер.

Замкнем цепь эмиттера. Эмиттерный переход окажется под прямым напряжением. Через него потечет прямой ток, образованный диффузией дырок в базу и диффузией электронов в эмиттер. Ранее было отмечено, что концентрация электронов в базе значительно меньше, чем концентрация дырок в эмиттере, поэтому ток через переход практически создается эмиттированием дырок в базу

Так как толщина базы невелика, то дырки пройдут ее без рекомбинации и диффундируют в область коллектора, где, перемещаясь под действием коллекторного напряжения, создадут коллекторный ток.

Небольшая часть дырок, рекомбинировавших в базе, а также электроны, диффундирующие из базы в эмиттер, создадут небольшой ток базы, примерно на два порядка меньший токов эмиттера и коллектора.

Таким образом, коллекторный ток и пропорциональное ему напряжение на R _н почти полностью определяются количеством эмиттированных дырок, т. е. током эмиттера.

Отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе называется коэффициентом усиления по току α =D I _k/D I _k при U _k=const.

Коэффициент усиления по току тем выше, чем больше эмиттированных дырок диффундирует через коллектор-ный переход. Конструкция транзистора обеспечивает экстракцию (улавливание) коллектором до 99% дырок, эмитти-рованных в базу.

В рассмотренной схеме включения коэффициент усиления транзистора по току меньше единицы (0,95 – 0,99). Схема может быть использована для усиления сигнала по напряжению или мощности. Действительно, несмотря на то что токи эмиттера и коллектора примерно равны, напряжение в цепи коллектора, а следовательно, и мощность могут в десятки раз превышать напряжение и мощность в цепи эмиттера.

Отметим, что названия «эмиттер» (инжектор, излучатель носителей заряда), «коллектор» (собиратель носителей) и «база» отвечают функциональному назначению этих частей биполярного транзистора.

Полярность электродов транзисторов показана на рис. 11, причем база заземлена (потенциал равен нулю).

Рассматривая последовательность слоев биполярного транзистора, нетрудно убедиться, что в принципе работоспособность прибора сохранится, если эмиттер и коллектор поменять местами. Однако инверсное включение неравноценно нормальному вследствие несимметричности конструкции (см. рис. 9) транзистора.

Так как размеры эмиттера меньше размеров коллектора, то при инверсном включении эмиттер не сможет уловить значительную часть носителей заряда, инжектированных коллектором в базу. Кроме того, из-за малых размеров эмиттер, используемый в роли коллектора, будет быстрее нагреваться. При неправильном включении триода эффективность его работы заметно снизится.

Итак, включать транзистор в схему следует в строгом соответствии с обозначением его выводов согласно типу транзистора.

Независимо от типа транзистора (р - n - р или n - р - n) применяют три основные схемы его включения: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Схема включения транзистора с общей базой изображена на рис. 12.

Коэффициентом усиления сигнала назовем отношение его приращения на выходе к приращению на входе

(индекс справа вверху соответствует схеме включения). Следовательно, коэффициент усиления:

по току: ;

по напряжению: ;

по мощности: .

Здесь R_н – сопротивление нагрузки; – входное сопротивление транзистора, включенного по схеме с общей базой. Значения лежат в пределах от единиц до десятков Ом.

Наиболее распространенной и универсальной по параметрам является схема с общим эмиттером, изображенная на рис. 13.

Рис. 12. Включение транзистора по схеме с общей базой	Рис. 13. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером

Для этой схемы входным является ток базы, а выходным – ток коллектора; следовательно:

Так как ток базы в десятки раз меньше тока эмиттера, то при прочих равных условиях входное сопротивление схемы с общим эмиттером в десятки раз больше входного сопротивления схемы с общей базой . Действительно, D I _б=D I _э-D I _k=D I _э(1-α); следовательно,

.

На рис. 14 изображена схема включения транзистора с общим коллектором. Для этой схемы

Коллекторный переход источником ЭДС Е_k смещен в обратном направлении, поэтому приращение напряжения входного сигнала D U _вх будет действовать не через переход база – коллектор, а через переход эмиттер – база и сопротивление нагрузки R_н. Имея в виду, что сопротивление эмиттерного перехода, включенного в прямом направлении, мало, им можно пренебречь и считать, что D U _вх≈D I _э R _н.

Поэтому:

;

;

.

Таким образом, транзистор с общим коллектором практически не меняет значения напряжения сигнала. Его называют эмиттерным повторителем. Подбирая R _н, входное сопротивление эмиттерного повторителя можно сделать достаточно большим.

Приведенные соотношения позволяют найти все рассмотренные параметры любой из трех схем, если из опыта определены или рассчитаны всего два параметра: α и .

Подчеркивая аналогию между биполярным транзистором и ламповым триодом, следует отметить и их существенное различие: ламповый триод может работать (и обычно работает) без тока в цепи управляющей сетки, в управляющей же цепи транзистора (в цепи базы) всегда протекает ток.

Чем больше входное сопротивление схемы, тем меньше ток в управляющей цепи.

Характеристики выражают зависимость между напряжениями и токами в цепях транзистора. Наибольшее значение получили входные, выходные и переходные характеристики. Обычно характеристики снимают по схеме с общей базой или с общим эмиттером.

В качестве примера рассмотрим статические (снятые при постоянном напряжении) характеристики транзистора типа р - n - р в схеме общей базой.

Входной характеристикой называется зависимость тока эмиттера от напряжения между эмиттером и базой при неизменном напряжении между коллектором и базой. Устанавливая различные значения напряжения между коллектором и базой (U _k=const), получим семейство входных характеристик (рис. 15, а).

Рис. 15. Характеристика биполярного транзистора в схеме с общей базой: а – входные; б – выходные; в – переходные

Переходной характеристикой (характеристикой прямой передачи) называют зависимость тока коллектора от тока эмиттера при постоянном напряжении между коллектором и базой. Семейство таких характеристик приведено на рис. 15, в.

Входные и выходные характеристики получают экспериментально, переходные характеристики могут быть построены на основе семейства выходных характеристик.

Характеристики транзистора можно использовать для определения его параметров. Так, коэффициент и легко находят по переходным, а входное сопротивление – по входным характеристикам.

При расчете цепей широко используют представление транзисторов в виде четырехполюсников. При этом параметры транзистора характеризуют коэффициентами четырехполюсника. Для биполярного транзистора эти коэффициенты принято называть h - параметрами, их можно определить расчетом или экспериментально.

Для сравнительной оценки транзисторов при различных схемах включения их основные параметры сведены в таблице 1.

Таблица 1

Параметр	Схема включения
с общей базой	с общим эмиттером	с общим коллектором
k1	Около единицы	Десятки
ku	Тысячи	Тысячи	Около единицы
Rвх	Десятки	Тысячи	Сотни тысяч

Следует отметить, что одним из существенных недостатков транзисторов является относительно высокая нестабильность их параметров и характеристик. Причины нестабильности – следующие: разброс параметров в процессе изготовления однотипных транзисторов; влияние температуры окружающей среды; влияние радиоактивных излучений; изменение параметров с изменением частоты усиливаемых сигналов; изменение параметров при старении транзисторов с течением времени.

Для транзисторов характерен также относительно высокий уровень собственных шумов, вызываемых тепловыми флуктуациями плотности носителей зарядов.

Дата добавления: 2013-12-13