Артемов И.С., 21306

Общие сведения Биполярным транзистором (БТ) называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех слоев (эмиттера, базы и коллектора) с различными типами проводимости, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. Он был изобретен в 1948 г. Дж. Бардином и В. Браттейном и дал большой толчок в развитии полупроводниковой электроники. БТ до сих широко использую в различных электрических схемах, приборах и т.п.

Общие сведения В зависимости от смещения эмиттерного и коллекторного перехода разделяют три режима работы БТ: Режим отсечки – оба p-n-перехода закрыты, при этом через транзистор протекает сравнительно небольшой ток; Режим насыщения – оба p-n-перехода открыты. Активные режим – один из p-n-переходов открыт, другой закрыт. В этом режиме возможно наиболее эффективное управление БТ и использование его в качестве активного элемента электрической цепи.

Общее схематическое изображение БТ

Основные физические процессы в БТ В рабочем режиме в БТ протекают следующие процессы: инжекция из эмиттера в базу; диффузия через базу; рекомбинация в базе; экстракция из базы в коллектор;

Основные физические процессы в БТ Транзисторный эффект – управление током во вторичной цепи через изменения тока в первичной цепи. Необходимо выполнение условия: W < L P

Зонная диаграмма БТ в схеме с общей базой

Формулы Молла-Эберса Формулы Молла-Эберса являются уникальными соотношениями описывающими характеристики БТ во всех режимах работы:

ВАХ БТ с ОБ

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Коэффициент передачи тока эмиттера α – отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе:

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Для коэффициента передачи α можно записать: где γ – коэффициент инжекции или эффективность эмиттера, ӕ – коэффициент переноса.

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Коэффициент инжекции (эффективность эмиттера) γ - доля полезного дырочного тока в полном токе эмиттера J э :

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Коэффициент переноса ӕ - доля эмиттерного дырочного тока, без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода:

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Сопротивление эмиттерного перехода - изменение напряжения на эмиттере при изменении эмиттерного тока (при условии, что напряжение на коллекторе не изменяется):

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Сопротивление коллекторного перехода – изменение напряжения на коллекторе при изменении коллекторного тока (при условии, что эмиттерный ток не изменяется):

Эффект Эрли Изменение коэффициента передачи α биполярного транзистора вследствие модуляции ширины базы при изменении коллекторного напряжения U к получило название "эффект Эрли".

Эффект Эрли

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Коэффициент обратной связи µ эк – изменение напряжения на эмиттерном переходе при единичном изменении напряжения на коллекторном переходе (при условии, что ток эмиттера поддерживается постоянным):

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Объемное сопротивление базы r б – сопротивление, определяемое чисто геометрическими особенностями конструкции БТ и определяется суммой сопротивлений активной, промежуточной и пассивной областей:

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Схема БТ, иллюстрирующая расчет объемного сопротивления базы:

Дифференциальные параметры БТ в схеме с ОБ Тепловой ток коллектора I КО – коллекторный ток I к, измеренный в режиме разомкнутого эмиттерного перехода (режим холостого хода в эмиттерной цепи I эр = 0 прибольшом обратном смещении на коллекторном переходе):

БТ в схеме с ОЭ

Коллекторный ток будет выражаться следующим соотношением: где - коэффициент усиления по току БТ в схеме с общим эмиттером; I к0 * = (1+β)I к0 - тепловой ток отдельно взятого p-n перехода, который много больше теплового тока коллектора I к0, r к * = r к /(1+β) – сопротивление коллекторного перехода БТ в схеме с общим эмиттером.

БТ в схеме с ОЭ Для увеличения коэффициента усиления по току БТ в схеме с общим эмиттером β, исходя из соотношения определяющего β, необходимо увеличить диффузионную длину L или уменьшить ширину базы W.

ВАХ БТ с ОЭ U э = ln(I б /I оэ )I К = βI Б + I* ко ;

Составные транзисторы. Схема Дарлингтона

Дрейфовые транзисторы Для ускорения прохождения носителей через базу используются дрейфовые транзисторы, в которых база легируется, причем легируется неоднородно, что создает градиент концентрации, за счет чего в базе возникает электрическое поле, которое в свою очередь вызывает появление дрейфовой компоненты электрического тока.

Дрейфовые транзисторы

Введем параметр - коэффициент неоднородности базы, который определяется логарифмом отношения концентрации примеси на границах базы.

Дрейфовые транзисторы Сравним время переноса через базу в биполярном транзисторе при дрейфовом t др и диффузионном t диф переносе:

Параметры транзистора как четырехполюсника Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I 1 и I 2 и два значения напряжения U 1 и U 2.

Параметры транзистора как четырехполюсника

Система z-параметров - определяются как входное и выходное сопротивления. - сопротивления обратной и прямой передач.

Система y-параметров - входная и выходная проводимости. - проводимости обратной и прямой передач.

Система h-параметров - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе; - выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи; - коэффициент обратной связи при холостом ходе во входной цепи; - коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.

Система h-параметров Связь h-параметров с дифференциальными параметрами БТ с ОБ:

Система h-параметров Связь h-параметров с дифференциальными параметрами БТ с ОЭ :

Связи между h-параметрами

Спасибо за внимание Литература: Гуртов В.А. Твердотельная электроника / В.А. Гуртов. – М.: Техносфера, с.