БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Окунёмся в историю, друзья! В 1948г. американские ученые Дж.Бардин и В.Браттейн создали полупроводниковый триод, или транзистор. Это событие имело громадное значение для развития полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних: их можно использовать не только для усиления и генерации переменного тока, но и в качестве ключевых элементов.

Дж.Бардин В.Браттейн

Определение « биполярный » указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки). Слово « транзистор » произошло от английского словосочетания « transfer resistor » - преобразователь сопротивления.

В настоящее время биполярный транзистор является одним из наиболее важных полупроводниковых приборов. Он используется в радиоэлектронике в качестве дискретного активного элемента, а в планарном исполнении является основой для создания интегральных твердотельных схем. В свою очередь, твердотельные схемы являются главными элементами современного поколения ЭВМ и других сложных радиоэлектронных устройств.

Общие сведения Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным ти-пом проводимости: эмиттера, базы и коллектора Схематическое изображение транзистора типа p-n-p : Э - эмиттер, Б - база, К - коллектор, W - толщина базы, ЭП - эмиттерный переход, КП - коллекторный переход.

В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают p-n-p и n-р-n Условные обозначения транзисторов : а) транзистор p-n-p, б) транзистор n-р-n

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора: 1. Режим отсечки - оба p-n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток; 2. Режим насыщения - оба p-n перехода открыты; 3. Активный режим - один из p-n переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причём транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы. Область транзистора, расположенная между переходами называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффек-тивно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наилучшим об-разом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы. Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход эмиттерным. Область, основным назначением которой является экстракцией носителей из базы - коллектор (К), а переход коллекторным.

Основные физические процессы в биполярных транзисторах В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы : инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор.

Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса

Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе - прямое напряжение, на коллекторном - обратное) является основным. U э > 0, U к < 0. Для биполярного транзистора p-n-р типа в активном режиме эмиттерный переход смещён в прямом направлении, и через него происходит инжекция дырок, как неосновных носителей, в базу. База должна иметь достаточно малую толщину W ( W

Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи

Для любого p-n перехода ток J определяется суммой электронного J n и дырочного J p компонент, а они в свою очередь имеют дрейфовую и диффузионную составляющие: При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения U э > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу I эр и электронов из базы в эмиттер I эn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок I эр будет значительно превышать ток электронов I эn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины L p, почти все дырки дойдут до коллектора и электрическим полем коллекторного p-n-р перехода будут переброшены в р-область коллектора. Возникающий вследствие этого коллекторный ток лишь немного меньше тока дырок, инжектированных эмиттером

I э - ток в цепи эмиттера, I к - ток в цепи коллектора, I 6 - ток на базовом выводе. Эмиттерный ток I э, имееет две компоненты: I э =I эp + I эn I эp - ток инжекции дырок из эмиттера в базу, I эn - ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. I эp = γ·I э, где γ - эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκI э. Тепловой ток коллектора I к0 имеет две составляющие: где I 0 - тепловой ток, I g - ток генерации. I к0 =I 0 +I g Ток базы I б транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе I эn = (1 - γ)·I э, рекомбинационный ток в базе (1 - κ)γI э и тепловой ток коллектора I к0.

Формулы Молла - Эберса Формулы Молла - Эберса являются универсальными соотношениями, которые описывают характеристики биполярных транзисторов во всех режимах работы. Для такого рассмотрения представим БТ в виде эквивалентной схемы, приведенной на рисунке При нормальном включении через эмиттерный p-n переход течет ток I 1, через коллекторный переход течет ток α N I 1 - меньший, чем I 1, вследствие рекомбинации части инжектированных носителей в базе. На рисунке этот процесс изображен как генератор тока α N I 1, где α N - коэффициент передачи эмиттерного тока. При инверсном включении транзистора прямому коллекторному току I 2 будет соответствовать эмиттерный ток α I I 2, где α I - коэффициент инверсии. Таким образом, токи эмиттера J э и коллектора J к в общем случае состоят из инжектируемого (I 1 или I 2 ) и экстрагируемого (α N I 1 или α I I 2 ) токов:

Величины токов I 1 и I 2 выражаются для p-n переходов стандартным способом

Формулы получили название формул Молла - Эберса и полезны для анализа статических характеристик биполярного транзистора при любых сочетаниях знаков токов и напряжений.

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой коэффициент передачи тока эмиттера: сопротивление эмиттерного перехода, r э, определяется : сопротивление коллекторного перехода r к, определяется: Коэффициентом обратной связи μ эк

Дифференциальные параметры выражаются через конструктивно- технологические пара- метры биполярного транзистора следующим образом: = κ ·,

Схемы включения биполярного транзистора В большинстве электрических схем транзистор используется в качестве четырехполюсника, то есть устройства, имеющего два входных и два выходных вывода. Очевидно, что, поскольку транзистор имеет только три вывода, для его использования в качестве четырехполюсника необходимо один из выводов транзистора сделать общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора: схемы с общей ба зой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). На рисунках показаны полярности напряжений между электродами и направления токов, соответствующие активному режиму в указанных схемах включения транзистора. Следует отметить, что токи транзистора обозначаются одним индексом, соответствующим названию электрода, во внешней цепи которого протекает данный ток, а напряжения между электродами обозначаются двумя индексами, причем вторым указывается индекс, соответствующий названию общего электрода

Биполярных транзисторов в схеме с общей базой

Коэффициент усиления по току: I вых /I вх =I к /I э =α [α

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Коэффициент усиления по току: I вых /I вх =I к /I б =I к /(I э - I к ) = α/(1-α) = β [β>>1] (показывает, как изменяется ток коллектора I к при единичном изменении тока базы I б ) Входное сопротивление: R вх =U вх /I вх =U бэ /I б Достоинства: Большой коэффициент усиления по току Большой коэффициент усиления по напряжению Большое усиление мощности Можно обойтись одним источником питания Выходное переменное напряжение инвертируется относительно входного. Недостатки: Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Биполярный транзистор в схеме с общим коллектором

Коэффициент усиления по току: I вых /I вх =I э /I б =I э /(I э -I к ) = 1/(1-α) = β [β>>1] Входное сопротивление: R вх =U вх /I вх =(U бэ +U кэ )/I б Достоинства: Большое входное сопротивление Малое выходное сопротивление Недостатки: Коэффициент усиления по напряжению меньше 1. Схему с таким включением называют «эмиттерным повторителем»

Параметры транзистора как четырехполюсника. h-параметры Свойства транзистора характеризуются параметрами, которые делятся на: 1) физические – коэффициент усиления по току α, сопротивления r э, r б, r к ; эти параметры характеризуют свойства самого транзистора, независимо от схемы включения; 2) схемотехнические – имеют различные значения для разных схем включения. Существуют несколько систем схемотехнических параметров, но все они основаны на том, что транзистор как элемент схемы на малом переменном сигнале рассматривается в виде линейного активного четырехполюсника

Основой для анализа четырехполюсника является система уравнений, связывающая входные и выходные токи I 1 и I 2 и напряжения U 1 и U 2. Таких систем может быть три, в зависимости от того, что принято за независимые переменные y, z и h. Наибольшее распространение получила система h параметров, при которой за независимые переменные для биполярного транзистора принимают ток на входе I 1, напряжение на выходе U 2. Эта система имеет вид: Выбор h-параметров (а не y- или z-параметров) связан с тем, что для биполярного транзистора удобно реализовать режим холостого хода на входе (I1 = 0) и режим короткого замыкания на выходе (U2 = 0).

h11 величина входного сопротивления транзистора r вх при коротком замыкании на выходе (U 2 = 0). h12 коэффициент обратной связи и равен отношению входного напряжения U1 к выходному U2 при разомкнутой входной цепи (I1=0). h21 коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе:

h параметры можно определить с помощью статических характеристик методом измерения их на постоянном токе. Тогда роль малого переменного тока и напряжения будут играть малые приращения постоянных токов I б, I к и напряжений U к, U б. Для схемы с общим эмиттером:

В справочниках чаще указаны h параметры для схемы с ОБ (h б ), которые можно найти путем пересчета, если известны h параметры для схемы с ОЭ (h э ):

Благодарим за внимание Работу выполнили: Клочкова Т.А. Голдобин И.И.