Биполярный транзистор

Обозначение биполярных транзисторов на схемах

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, разновидность транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Файл:Npnpnp.png

Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Принцип действия транзистора

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении. Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и очень слабо легированной, большая часть электронов, инжектированная из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они - неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999, чем больше коэффициент, тем лучше транзистор. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) = (10 − 1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Характеристики транзистора как четырёхполюсника. Схемы включения с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором

Схема включения с общей базой

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

• коэффициент усиления по току I_вых/I_вх.

Для схемы с общей базой I_вых/I_вх=I_к/I_э=α [α<1])

• входное сопротивление R_вхб=U_вх/I_вх=U_бэ/I_э.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как входная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзистора.

Недостатки схемы с общей базой:

• Схема не усиливает ток, так как α < 1
• Малое входное сопротивление
• Два разных источника напряжения для питания.

Достоинства:

• Хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером

I_вых=I_к I_вх=I_б U_вх=U_бэ U_вых=U_кэ

Достоинства:

• Большой коэффициент усиления по току
• Бо́льшее входное сопротивление
• Можно обойтись одним источником питания

Недостатки:

• Худшие температурные и частотные свойства по сравнению со схемой с общей базой

Схема с общим коллектором

I_вых=I_э I_вх=I_б U_вх=U_бкз U_вых=U_кэ

Достоинства:

• Большое входное сопротивление

Недостатки:

• Не усиливает напряжение

Схему с таким включением также называют «эмитерным повторителем»

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 базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором(ОК). На рис. 3.3 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 (см. рис. 3.3). В схеме с общей базой (см. рис. 3.3,а)

входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. Схема ОБ наиболее проста для анализа, поскольку в ней каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение uЭБ прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение uКБ - к коллекторному. Следует заметить, что падениями напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Нетрудно убедиться, что приведенные на рисунке полярности напряжений (uЭБ<0; uКБ>0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. В схеме с общим эмиттером (см. рис. 3.3,б) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь коллектора. В схеме ОЭ напряжение uБЭ>0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. Напряжение uКЭ распределяется между обоими переходами: uКЭ = uКБ + uБЭ . Для того, чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо uКБ = uКЭ – uБЭ > 0 , что обеспечивается при uКЭ > uБЭ > 0. В схеме с общим коллектором (см. рис.3.3,в) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь эмиттера.

Принцип работы биполярного транзистора

Рассмотрим в первом приближении физические процессы, протекающие в транзисторе в активном режиме, и постараемся оценить, каким образом эти процессы позволяют усиливать электрические сигналы.

Для простоты анализа будем использовать плоскую одномерную модель транзистора, представленную на рис. 3.4. Эта модель предполагает, что p-n- переходы транзистора являются плоскими, и все физические величины в структуре, в частности, концентрации носителей заряда, зависят только от одной продольной координаты x , что соответствует бесконечным поперечным размерам структуры. С учетом того, что в реальной структуре транзистора (см. рис. 3.1) ширина базы значительно меньше поперечных размеров переходов, плоская одномерная модель достаточно хорошо отражает процессы, протекающие в транзисторе. Рассмотрим вначале статическую ситуацию, при которой на переходы транзистора от внешних источников питания подаются постоянные напряжения uЭБ и uКБ - см. рис. 3.4. Заметим, что приведенный на рисунке транзистор включен по схеме с общей базой. Напряжения uЭБ <0 и uКБ >0 обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода, что соответствует активному режиму работы транзистора. Через открытый эмиттерный переход протекают основные носители заряда. Как уже отмечалось в п. 3.1, из-за резкой асимметрии эмиттерного перехода инжекцию через него можно считать односторонней, то есть достаточно рассматривать только поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу - см. рис. 3.4. Этот поток очень сильно зависит от напряжения на эмиттерном переходе uЭБ, экспоненциально возрастая с увеличением ч uЭБч . Инжектированные в базу электроны оказываются в ней избыточными (неравновесными) неосновными носителями заряда. Вследствие диффузии они движутся через базу к коллекторному переходу, частично рекомбинируя с основными носителями - дырками. Достигнувшие коллекторного перехода электроны экстрагируются полем закрытого коллекторного перехода в коллектор. В связи с тем, что в коллекторном переходе отсутствует потенциальный барьер для электронов, движущихся из базы в коллектор, этот поток в первом приближении не зависит от напряжения на коллекторном переходе uКБ. Таким образом, в активном режиме всю структуру транзистора от эмиттера до коллектора пронизывает сквозной поток электронов, создающий во внешних цепях эмиттера и коллектора токи iЭ и iК , направленные навстречу движению электронов. Важно подчеркнуть, что этот поток электронов и, соответственно, ток коллектора iК, являющийся выходным током транзистора, очень эффективно управляются входным напряжением uЭБ и не зависят от выходного напряжения uКБ. Эффективное управление выходным током с помощью входного напряжения составляет основу принципа работы биполярного транзистора и позволяет использовать транзистор для усиления электрических сигналов.

Схема простейшего усилительного каскада на транзисторе, включенном по схеме ОБ, приведена на рис. 3.5. По сравнению со схемой, приведенной на рис. 3.4, в эмиттерную цепь введен источник переменного напря жения uЭБ- , а в коллекторную цепь включен нагрузочный резистор RК. Переменное напряжение uЭБ- наряду с напряжением, подаваемым от источника питания, воздействует на сквозной поток электронов, движущихся из эмиттера в коллектор. В результате этого воздействия коллекторный ток приобретает переменную составляющую iК– , которая благодаря очень высокой эффективности управления может быть значительной даже при очень маленькой величине uЭБ- . При протекании тока коллектора через нагрузочный резистор на нем выделяется напряжение, также имеющее переменную составляющую uКБ- = iК– RК. Это выходное переменное напряжение при достаточно большом сопротивлении RК может значительно превосходить величину входного переменного напряжения uЭБ- (uКБ- >>uЭБ- ). Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОБ, усиливает электрические сигналы по напряжению. Что касается усиления по току, то рассмотренная схема его не обеспечивает, поскольку входной и выходной токи примерно равны друг другу ( iЭ » iК ).

3.2. Физические процессы в биполярном транзисторе

Сущность физических процессов, протекающих в транзисторе, таких, как инжекция, экстракция, диффузия, рекомбинация, рассмотрена выше (см. разд. 1 и 2 ). Вместе с тем, в транзисторе проявления этих эффектов имеют определенную специфику, связанную, в первую очередь, с взаимодействием переходов. В этой связи рассмотрим процессы, протекающие в транзисторе применительно к каждому из режимов его работы.

Активному режиму работы транзистора, иногда называемому также нормальным активным режимом, соответствуют открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллекторного перехода. На рис. 3.6 приведена структура транзистора и показаны потоки носителей заряда в активном режиме. Поскольку основные физические процессы, определяющие протекание в структуре сквозного потока электронов, достаточно подробно описаны в п. 3.1, остановимся лишь на тех моментах, которые были опущены при рассмотрении работы транзистора в первом приближении. Прежде всего, отметим тот факт, что в активном режиме переходы транзистора имеют различную ширину: запертый коллекторный переход значительно шире открытого эмиттерного перехода. На рис. 3.6, наряду с показанным на рис. 3.4 сквозным потоком электронов, показаны и другие потоки носителей, протекающие в структуре в активном режиме. В частности, показан встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер. Два направленных навстречу друг другу потока (электронов и дырок) отражают эффект рекомбинации в базе. Электронный поток создается электронами, которые инжектируются из эмиттера, но не доходят до коллекторного перехода (как электроны, создающие сквозной поток), а рекомбинируют с дырками в базе. Дырочный поток создается дырками, поступающими из внешней цепи в базу для восполнения потери дырок из-за их рекомбинации с электронами. Указанные потоки создают во внешних цепях эмиттера и базы дополнительные составляющие токов. На рис. 3.6 также показаны потоки неосновных носителей заряда, создающие собственный тепловой ток обратносмещенного коллекторного перехода (поток электронов, движущихся из базы в коллектор, и поток дырок, движущихся из коллектора в базу). Каждый из рассмотренных на рис. 3.6 потоков вносит свой вклад в токи, протекающие во внешних цепях эмиттера, коллектора и базы. При этом следует подчеркнуть, что сквозной поток электронов является единственным полезным потоком носителей в транзисторе, поскольку определяет возможность усиления электрических сигналов. Все остальные потоки в усилении сигнала не участвуют, и поэтому являются побочными. Для того, чтобы транзистор имел высокие усилительные свойства, необходимо, чтобы побочные потоки были как можно слабее по сравнению с сильным полезным сквозным потоком. Завершая рассмотрение активного режима, отметим, что основной вклад в ток базы вносит рекомбинационная составляющая. Равная ей рекомбинационная составляющая тока эмиттера определяет его отличие от тока коллектора, создаваемого практически исключительно сквозным потоком электронов. С учетом того, что база транзистора делается очень узкой и слабо легируется, потери электронов на рекомбинацию в базе очень невелики, и iБ<< iЭ, а iЭ » iК.

Инверсный режим (инверсный активный режим) работы транзистора аналогичен активному режиму с той лишь разницей, что в этом режиме в открытом состоянии находится коллекторный переход, а в закрытом - эмиттерный переход. В связи с тем, что усилительные свойства транзистора в инверсном режиме оказываются значительно хуже, чем в активном режиме, транзистор в инверсном режиме практически не используется.

В режиме насыщения оба перехода транзистора находятся в открытом состоянии. На рис. 3.7 приведена структура транзистора и показаны потоки носителей, протекающие в режиме насыщения. Как видно из рисунка, в этом режиме и эмиттер, и коллектор инжектируют электроны в базу, в результате чего в структуре протекают два встречных сквозных потока электронов (нормальный и инверсный). От соотношения этих потоков зависит направление токов, протекающих в цепях эмиттера и коллектора. Вследствие двойной инжекции база транзистора очень сильно насыщается избыточными электронами, из-за чего усиливается их рекомбинация с дырками, и рекомбинационный ток базы оказывается значительно выше, чем в активном или инверсном режимах. Следует также отметить, что в связи с насыщением базы транзистора и его переходов избыточными носителями заряда, их сопротивления становятся очень маленькими. Поэтому цепи, содержащие транзистор, находящийся в режиме насыщения, можно считать короткозамкнутыми. Учитывая то, что в режиме насыщения напряжение между электродами транзистора составляет всего несколько десятых долей вольта, часто считают, что в этом режиме транзистор представляет собой эквипотенциальную точку.

В режиме отсечки оба перехода транзистора находятся в закрытом состоянии. Структура транзистора и потоки носителей в режиме отсечки приведены на рис. 3.8. Как видно из рисунка, сквозные потоки электронов в режиме отсечки отсутствуют. Через переходы транзистора протекают потоки неосновных носителей заряда, создающие малые и неуправляемые тепловые токи переходов. База и переходы транзистора в режиме отсечки обеднены подвижными носителями заряда, в результате чего их сопротивления оказываются очень высокими. Поэтому часто считают, что транзистор, работающий в режиме отсечки, представляет собой разрыв цепи. Режимы насыщения и отсечки используются при работе транзисторов в импульсных (ключевых) схемах.

3.3 Расчет токов биполярного транзистора

Основные допущения идеализированной теории биполярных транзисторов

Для построения идеализированной модели биполярного транзистора будем считать, что его структура разбивается на области пространственного заряда ( обедненные области эмиттерного и коллекторного переходов) и квазинейтральные области эмиттера, базы и коллектора, в которых выполняется условие D n» D p. Кроме того, примем обычные допущения идеализированной теории n-p-перехода:

1. Области пространственного заряда практически не содержат подвижных носителей заряда и имеют резкие границы с квазинейтральными областями эмиттера, базы и коллектора.

2. Объемные сопротивления эмиттера, базы и коллектора близки к нулю и внешние напряжения приложены непосредственно к эмиттерному и коллекторному переходам.

3. На краях областей пространственного заряда (на границах переходов) справедливы граничные уравнения, связывающие концентрации носителей заряда с напряжениями, приложенными к переходам.

4. В областях эмиттера, базы и коллектора имеет место низкий уровень инжекции неосновных носителей заряда.

Ссылки и литература

• Электронные твердотельные приборы (online курс)