Лекция по теме «Биполярные транзисторы»

4. Биполярные транзисторы

4.1. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор — трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупровод­ника, имеющих электропроводность различных типов.

В зависимости от последовательности чередования n- и р-областей раз­личают транзисторы n-р-n- и р-n -р-типов. На практике используются транзи­сторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями за­ряда в транзисторе n-р-n- типа являются электроны, а в р-n-р-транзисторе — дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n-р-n-типа.

Рис. 21. Структура биполярных транзисторов и их условное обозначение

На рис. 21а, б изображена структура условное графическое обозначение биполярногоn-р-n-транзистора.

На рис. 21 в, г показаны структура и условное графическое обо­значение р-n-р-транзистора.

Заметим, что n—p—n—и р-и-р-транзисторы име­ют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи.

Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а меж­ду базой и коллектором – коллекторным.

Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные на рис. 21, являются идеальными. Структура реального транзистора несим­метрична (рис. 22). Площадь коллекторного перехода значительно больше, чем эмиттерного.

Рис. 22 Структура реального транзистора

 Каждый из р-n-переходов транзистора может быть смещён либо в пря­мом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают че­тыре режима работы транзистора:

1)     активный (усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом направлении, а коллекторный — в обратном;

2)     отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении;

3)     насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении;

4)     инверсный.Эмиттерный переход смещён в обратном направлении, а коллекторный — в прямом.

Рассмотрим подробнее каждый из режимов работы транзистора на примере прибора n-р-n-типа.

Активный режим. Так как эмиттерный переход смещён в прямом направлении, происходит инжекция носителей из эмиттера в базу. Поскольку область эмиттера легирована сильнее, чем область базы, поток электронов пре­обладает над потоком дырок. Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбини­рует в базе с дырками. Коллекторный переход смещён в обратном направлении, поэтому электроны, достигшие коллекторного перехода, втягиваются полем пе­рехода в коллектор. Происходит экстракция электронов в коллектор.

Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны соотно­шениями:

Iк= αIэ;

Iэ = IK+I6.                                     

Множитель а называют коэффициентом передачи тока эмиттера. У инте­гральных транзисторова = 0.99-0.995. Из равенств следует, что множитель β называют коэффициентом усиления тока базы. Так как величина а близка к 1, то может β принимать большие значения. Для инте­гральных n-р-n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.

Связь между напряжением эмиттерного перехода и током эмиттера имеет экспоненциальную форму:

Обратный ток эмиттерного перехода Iэо обратно пропорционален ширине базы и прямо пропорционален площади эмиттерного перехода. Последнее свой­ство часто используется разработчиками интегральных схем при конструирова­нии источников постоянного тока. В зависимости от размеров транзистора величина Iэо составляет от 10^-12 до 10^-18 А. Ток Iэо зависит от температуры, удваиваясь при увеличении температуры примерно на 7 °С.

Таким образом, работа биполярного транзистора в активном режиме основана на сочетании процессов инжекции носителей через один переход и собирания их на другом переходе. Концентрация примесей в эмиттере значи­тельно больше, чем в базе и коллекторе. Поэтому электронная составляющая тока n-р-n-транзистора является преобладающей.

В активном режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением эмиттерного пе­рехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном переходе, по­скольку последний смещен в обратном направлении. Активный режим явля­ется основным, если транзистор используется для усиления сигналов. Транзистор способен в этом режиме почти линейно усиливать сигнал. Этот режим иногда называют активным. Биполярный транзистор является токовым прибором,т.е. управляется током и всегда необходимо предусматривать ограничение тока базы, например, резистором. При плавном повышении тока базы линейно с коэффициентом β возрастает коллекторныйток. Если в коллекторной цепи присутствует резистор, то рост коллекторного тока будет сопровождаться уменьшением напряжения коллектор–эмиттер. До тех пор, пока напряжение на коллекторе выше напряжения на базе,транзистор остается в линейном режиме, т.е. способен линейно усиливать сигнал.

Режим отсечки. Выключенное или закрытое состояние транзистора. Инжекция основных носителей в область базы наблюда­ется в том случае, если эмиттерный переход смещён в прямом направлении. Если напряжение Uбэ меньше пороговой величины (0.6 В для кремниевых транзисто­ров), заметной инжекции носителей в базу не наблюдается. При этом

I_э = I_б = 0.

Следовательно, ток коллектора также равен нулю. Таким образом, для режима отсечки справедливы условия: Uбэ < 0.6 B или  Iб= 0.На практике считают, что транзистор находится в режиме отсечки, когда напряжение база – эмиттер близко к нулю или при небольшом смещающем напряжении.

Режим насыщения. Если оба перехода смещены в прямом направлении, носители инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора. В этом режиме ток коллектора не зависит от тока базы. Коллекторный переход отпирается, если напряжение коллектор-база Uкб < — 0.4 В. При этом напряжение коллектор-эмиттер не превышает напряжение насыщения: Uкэ ≤Uкэнас. Значение Uкэ нас находится в пределах 0,2-0,3 В. Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются ос-
новными, когда они работают в ключевых и логических схемах. Коллекторный ток достигает своего максимального значения ,которое определяется не транзистором, а цепью нагрузки. В режим насыщения транзистор входит, когда Iб>Iкн/ β, где Iб–ток в базовой цепи , Iкн–ток в цепи коллектора. Чтобы транзистор оказался заведомо в режиме насыщения, выбирают степень насыщения S > 2. Iб = S*Iкн/ β. В режиме насыщения в базу поступает такое количество неосновных носителей, что коллектор не способен их поглотить. В результате при попытке выключить транзистор, эти неосновные носители создадут значительную задержку выключения транзистора. Режим насыщения или близкий к нему линейный режим, находит широкое применение в цифровой технике. При этом говорят, что транзистор открыт или включен.

Инверсный режим. Биполярный транзистор является симметричным прибором в том смысле, что область полупроводника с одним типом проводимости располагается между двумя областями с другим типом проводимости. Поэтому транзистор можно включить так, что коллекторный переход
смещен в прямом направлении, а эмиттерный — в обратном. При этом эмиттер играет роль коллектора, а коллектор — эмиттера. Такой режим работы биполярного транзистора называют инверсным. Однако коллектор и эмиттер изготавливают неодинаковыми (см. рис. 22), с тем, чтобы наибольшее уси-
ление достигалось в активном режиме. В инверсном режиме усиление транзистора невелико. Такой режим используют в некоторых цифровых схемах.

4.2. Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов

Рассмотрим транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером (рис. 23). Название «схема с общим эмиттером» объясняется тем, что эмиттер является общим для входной и выходной цепей.

Рис. 23 Транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером

Входными величинами являются  напряжение база-эмиттер Uбэ и ток базы  Iб, а выходными — напряжение коллектор-эмиттер Uкэ и ток коллектора Iк.

Рассмотрим вольт-амперные характеристики биполярного транзистора и укажем на них области отсечки, насыщения и усиления.

Входная характеристика биполярноготранзистора — это зависимость тока базы Iб от напряжения база-эмиттер Uбэ при фиксированном значении напряжения коллектор-эмиттер Uкэ:

Iб = f (Uбэ) при Uкэ=consnt

Входная характеристика кремниевого биполярного транзистора пока­зана на рис. 24, а. Если эмиттерный переход смещён в прямом направле­нии, то входная характеристика похожа на прямую ветвь ВАХ диода.

Рис. 24 а- входная, б —  выходная характеристика транзистора

Выходной характеристикой называют зависимость тока коллектора  Iк от напряжения коллектор-эмиттер Uкэпри фиксированном токе базы.

Выходная характеристика показана на рис. 24, б.

Область отсечки ле­жит ниже кривой Iб =  0.

В области насыщения величина напряжения Uкэстоль мала, что становится недостаточной для создания обратного смещения на коллекторном переходе. В режиме насыщения ток коллектора не зависит от тока базы и все ветви выходной характеристики сливаются в одну.

В активной области ток коллектора очень слабо зависит от напряжения коллектор-эмиттер и пропорционален току базы, а ветви выходной характе­ристики расположены почти горизонтально. Это объясняется тем, что кол­лекторный переход смещён в обратном направлении. Таким образом, в ак­тивном режиме биполярный транзистор ведёт себя как источник тока, управ­ляемый током базы.

Как видно из рис. 24, а, ток эмиттера и напряжение база-эмиттер свя­заны экспоненциальной зависимостью, описывающей вольт-амперную ха­рактеристику диода, смещенного в прямом направлении:

Определим теперь, какие предельные значения могут принимать токи и напряжения биполярного транзистора. При рассеянии электрической энергии температура транзистора повышается, что приводит к необходимости огра­ничивать допустимые уровни токов и напряжений. Величина максимальной мощности ограничивается максимально допустимой температурой прибора (для кремниевых транзисторов 150-200 °С). Она зависит от размеров транзи­стора, его конструкции и температуры окружающей среды.

В транзисторе, работающем в режиме усиления, подавляющая часть рассеиваемой мощности выделяется в области коллекторного перехода. Ее можно определить по формуле P= UкэIк.

Если рассеиваемую мощность положить равной максимально допусти­мой, то максимально допустимые значения напряжения тока коллектора и напряжения коллектор-эмиттер можно определить из соотношения:

UкэIк<Pmax

Неравенству соответствует гипербола, ограничивающая область допустимых значений Uкэ иIк (рис. 25). Если рабочая точка находится за пределами этой области, возможен тепловой пробой транзистора. При выбо­ре транзистора для конкретной схемы нужно определить, какие величины ­

Рис.25 Безопасная зона работы транзистора

токов инапряжений следует ожидать в этой схеме, а затем убедиться в том, что найденные значения лежат в области безопасной работы.

Из условия UкэIк<P max можно определить только произведение Uкэ*Iк, а не их предельные значения. Тем не менее существуют ограничения на макси­мальные значения этих величин. В паспортных данных транзистора указыва­ется максимальный ток Iкmax, превышать который не разрешается. Макси­мально допустимое значение Uкэ определяется напряжением, при котором происходит лавинный пробой коллекторного перехода.