Структура биполярного транзистора

Структура биполярного транзистора

Биполярный транзистор – полупроводниковый элемент с двумя pn переходами и тремя выводами, который служит для усиления или переключения сигналов. Они бывают pnp и npn типа. На рис. 1, а и б показаны их условные обозначения.

Рис. 1. Биполярные транзисторы и их диодные эквивалентные схемы:

Транзистор состоит из двух противоположно включенных диодов, которые обладают одним общим p— или n— слоем. Электрод, связанный с ним, называется базой Б. Два других электрода называются эмиттером Э и коллектором К. Диодная эквивалентная схема, приведенная рядом с условным обозначением, поясняет структуру включения переходов транзистора. Хотя эта схема не характеризует полностью функции транзистора, она дает возможность представить действующие в нем обратные и прямые напряжения. Обычно переход эмиттер – база смещен в прямом направлении (открыт), а переход база – коллектор – в обратном (заперт). Поэтому источники напряжения должны быть включены, как показано на рис. 2.

Транзисторы npn типа подчиняются следующим правилам (для транзисторов pnp типа правила сохраняются, но следует учесть, что полярности напряжений должны быть изменены на противоположные):

  1. Коллектор имеет более положительный потенциал, чем эмиттер.
  2. Цепи база-эмиттер и база-коллектор работают как диоды (рис. 1). Обычно переход база-эмиттер открыт, а переход база-коллектор смещен в обратном направлении, т.е. приложенное напряжение препятствует протеканию тока через него. Из этого правила следует, что напряжение между базой и эмиттером нельзя увеличивать неограниченно, так как потенциал базы будет превышать потенциал эмиттера более чем на 0,6 – 0,8В (прямое напряжение диода), при этом возникает очень большой ток. Следовательно, в работающем транзисторе напряжение на базе и эмиттере связаны следующим соотношением:
  1. Каждый транзистор характеризуется максимальными значениями IК,IБ,UКЭ. В случае превышения этих параметров необходимо использовать еще один транзистор. Следует помнить и о предельных значениях других параметров, например рассеиваемой мощности РК, температуре, UБЭ и др.
  2. Если правила 1-3 соблюдены, то ток коллектора прямо пропорционален току базы.

Соотношение токов коллектора и эмиттера приблизительно равно

где α = 0,95…0,99 – коэффициент передачи тока эмиттера.

Разность между эмиттерным и коллекторным токами в соответствии с первым законом Кирхгофа (и как видно из рис. 2, а) представляет собой базовый ток

Ток коллектора зависит от тока базы в соответствии с выражением:

где β = α/(1–α) – коэффициент передачи тока базы, β >>1.

Правило 4 определяет основное свойство транзистора: небольшой ток базы управляет большим током коллектора.

Режимы работы транзистора

Каждый переход биполярного транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают следующие четыре режима работы транзистора.

Усилительный или активный режим – на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Именно этот режим работы транзистора соответствует максимальному значению коэффициента передачи тока эмиттера. Ток коллектора пропорционален току базы, обеспечиваются минимальные искажения усиливаемого сигнала.

Инверсный режим – к коллекторному переходу подведено прямое напряжение, а к эмиттерному – обратное. Инверсный режим приводит к значительному уменьшению коэффициента передачи тока базы транзистора по сравнению с работой транзистора в активном режиме и поэтому на практике используется только в ключевых схемах.

Режим насыщения – оба перехода (эмиттерный и коллекторный) находятся под прямым напряжением. Выходной ток в этом случае не зависит от входного и определяется только параметрами нагрузки. Из-за малого напряжения между выводами коллектора и эмиттера режим насыщения используется для замыкания цепей передачи сигнала.

Режим отсечки – к обоим переходам подведены обратные напряжения. Так как выходной ток транзистора в режиме отсечки практически равен нулю, этот режим используется для размыкания цепей передачи сигналов.

Основным режимом работы биполярных транзисторов в аналоговых устройствах является активный режим. В цифровых схемах транзистор работает в ключевом режиме, т.е. он находится только в режиме отсечки или насыщения, минуя активный режим.

Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входа и выхода, различают схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ), рис. 2, общей базой (ОБ) рис. 3, а, и общим коллектором (ОК) рис. 3, б.

В случае включения транзистора в схему с ОЭ входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Схема с ОЭ является самой распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности. Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с ОЭ характеризует один из главных его параметров – коэффициент передачи тока базы – β. Коэффициент β для разных транзисторов лежит в диапазоне от десятков до тысяч, а реальный коэффициент усиления по току каскада всегда меньше, так как при включении нагрузки ток коллектора транзистора уменьшается.

Важная величина, характеризующая транзистор – его входное сопротивление. Для схемы с ОЭ оно составляет от сотен до единиц кОм, что является сравнительной малой величиной. Это существенный недостаток биполярных транзисторов. Выходное сопротивление схемы составляет от единиц до десятков кОм.

К недостаткам схемы с ОЭ относятся также меньший по сравнению со схемой ОБ частотный диапазон и меньшая температурная стабильность.

В схеме с ОБ выходным током является ток коллектора, а входным – ток эмиттера. Хотя эта схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с ОЭ, все же ее иногда применяют, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с ОЭ. Коэффициент усиления по току каскада несколько меньше единицы, по напряжению – такой же, как и в схеме с ОЭ. Входное сопротивление для схемы с ОБ получается в десятки раз меньше, чем в схеме с ОЭ, выходное сопротивление в этой схеме получается до 100 кОм. Следует отметить, что каскад с ОБ вносит при усилении меньшие искажения, чем каскад по схеме с ОЭ.

В схеме с ОК (рис. 3, б) коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на выход, т.е. сильна отрицательная обратная связь. Именно поэтому такой каскад называют эмиттерным повторителем.

Коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее, коэффициент усиления по току почти такой же, как в схеме с ОЭ, коэффициент усиления по мощности равен нескольким десяткам. Входное сопротивление каскада в схеме с ОК составляет десятки килом, выходное – единицы килом и сотни Ом, что является важным достоинством схемы.

Схема с ОК называется эмиттерным повторителем и используется для согласования источников сигналов и нагрузок.

Транзистор как активный нелинейный четырехполюсник

Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

Читайте также  Художественная ковка эскизы

Для удобства сравнения параметры трех схем включения транзисторов сведены в табл. 1.

Таблица. 1 Важнейшие параметры основных схем включения транзисторов

Количественное своеобразие структуры транзистора.

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Схема с общей базой

При этом входное сопротивление очень мало, а выходное — велико.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле: Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. В выходной цепи для сигнала требуется нагрузка. Кроме биполярных существуют униполярные полевые транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей — электроны или дырки.

Активный режим транзистора — это нормальный режим работы транзистора. Самая верхняя характеристика в точке А пересекается с прямой нагрузки, после которой при дальнейшем увеличении IВ коллекторный ток уже не изменяется.

Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания. Напряжение 0,6В это напряжение на переходе Б—Э, и при расчетах о нем не следует забывать!

Схемы включения биполярных транзисторов при объединении режимов отсечки и насыщения позволяют создавать с их помощью электронные ключи. Достоинства каскада по схеме с общим эмиттером: 1. Для того, чтобы лучше понять, как работает эмиттерная стабилизация, надо рассмотреть схему включения транзистора с общим коллектором ОК.

Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором


Работа транзистора в ключевом режиме Прежде, чем изучать работу транзистора в режиме усиления сигнала, стоит вспомнить, что транзисторы часто используются в ключевом режиме. Эмиттерные повторители схемы с общим коллектором применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Быстродействие БТ зависит от толщины базового слоя БС. Теперь проследим саму работу данной схемы: источник питания 1.

Отсюда и большой разброс коэффициента усиления у транзисторов взятых даже из одной коробки читай одной партии. И модельный ряд постоянно увеличивается, позволяя решать практически все задачи, поставленные разработчиками. Рисунок 7. Следовательно, для усилителей постоянного тока нижняя граничная частота усиления равна нулю переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. На рисунке изображена схема работы транзистора в ключевом режиме.

В эмиттерном повторителе используется схема включения транзистора с общим коллектором ОК. Мощность это произведение тока на напряжение, но так как напряжение не меняется то мощность увеличивается только за счет тока! База является управляющим электродом.
Биполярные транзисторы. Принцип действия.

Основные параметры

  • Коэффициент передачи по току
  • Входное сопротивление
  • Выходная проводимость
  • Обратный ток коллектор-эмиттер
  • Время включения
  • Предельная частота коэффициента передачи тока базы
  • Обратный ток коллектора
  • Максимально допустимый ток
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, не зависимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

  • коэффициент усиления по току α;
  • сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному току rэ, rк, rб, которые представляют собой:
    • rэ — сумму сопротивлений эмиттерной области и эмиттерного перехода;
    • rк — сумму сопротивлений коллекторной области и коллекторного перехода;
    • rб — поперечное сопротивление базы.

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем. Основными считаются смешанные (гибридные) параметры, обозначаемые буквой «h».

Входное сопротивление — сопротивление транзистора входному переменному току при коротком замыкании на выходе. Изменение входного тока является результатом изменения входного напряжения, без влияния обратной связи от выходного напряжения.

Коэффициент обратной связи по напряжению показывает, какая доля выходного переменного напряжения передаётся на вход транзистора вследствие обратной связи в нём. Во входной цепи транзистора нет переменного тока, и изменение напряжения на входе происходит только в результате изменения выходного напряжения.

Коэффициент передачи тока (коэффициент усиления по току) показывает усиление переменного тока при нулевом сопротивлении нагрузки. Выходной ток зависит только от входного тока без влияния выходного напряжения.

Выходная проводимость — внутренняя проводимость для переменного тока между выходными зажимами. Выходной ток изменяется под влиянием выходного напряжения.

Зависимость между переменными токами и напряжениями транзистора выражается уравнениями:

В зависимости от схемы включения транзистора к цифровым индексам h-параметров добавляются буквы: «э» — для схемы ОЭ, «б» — для схемы ОБ, «к» — для схемы ОК.

Собственные параметры транзистора связаны с h-параметрами, например для схемы ОЭ:

; ; ; .

С повышением частоты вредное влияние на работу транзистора начинает оказывать ёмкость коллекторного перехода Cк. Сопротивление ёмкости уменьшается, снижается ток через сопротивление нагрузки и, следовательно, коэффициенты усиления α и β. Сопротивление ёмкости эмиттерного перехода Cэ также снижается, однако она шунтируется малым сопротивлением перехода rэ и в большинстве случаев может не учитываться. Кроме того, при повышении частоты происходит дополнительное снижение коэффициента β в результате отставания фазы тока коллектора от фазы тока эмиттера, которое вызвано инерционность процесса перемещения носителей через базу от эммитерного перехода к коллекторному и инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Частоты, на которых происходит снижение коэффициентов α и β на 3 дБ, называются граничными частотами коэффициента передачи тока для схем ОБ и ОЭ соответственно.

В импульсном режиме импульс тока коллектора начинается с запаздыванием на время задержки τз относительно импульса входного тока, что вызвано конечным временем пробега носителей через базу. По мере накопления носителей в базе ток коллектора нарастает в течение длительности фронта τф. Временем включения транзистора называется τвкл = τз + τф.

Читайте также  Магнитная пломба на электросчетчике

Режимы и схемы подключения

Благодаря развитию науки и техники разрабатываются новые транзисторы, направленные на устранение вредных факторов. К ним относятся как физические (например, сколы и примеси), так и электрические (сопротивление материала). Устранение таких недостатков ведет к повышению быстродействия, понижению потребляемой мощности и ряду других преимуществ. Но задачи транзистора остаются те же самые:

  • усиление сигнала;
  • генерация;
  • переключение.

Прежде чем разобрать каждую из этих задач, важно понять, как работает транзистор. В виде примера возьмем транзистор р-п-р-типа. К эмиттеру подключается плюс, а к коллектору — минус. Такое включение называется нормальным, противоположное — инверсным. Эмиттер насыщается дырками, являющимися на самом деле атомами, которые не могут перемещаться, поскольку у них не хватает электронов. Увеличивается область, в которой не хватает электронов. В коллекторе, наоборот, происходит перенасыщение электронов.

База становится изолятором между этими областями, т. к. находящиеся в ней электроны уходят через эмиттер в источник питания. При появлении на базе отрицательного напряжения электроны постепенно превращают ее в проводник. Это приводит к тому, что транзистор открывается, а между эмиттером и коллектором появляется ток. Из этого можно сделать вывод, что режимы работы транзистора — закрытое состояние, насыщение и открытое состояние — полностью зависят от напряжения на базе.

Следующее, на что необходимо обратить внимание, — это то, какая схема подключения используется. Для примера возьмем батарейку и лампочку. Каждый из этих элементов имеет по два вывода, то есть всего их четыре. Это правило действует для постоянного (импульсного) тока. Транзистор является преобразователем, иными словами, имеет вход и выход. В этом случае он должен иметь не три, а четыре вывода. На практике же он, как правило, имеет три вывода. Получается, что один из его выводов должен быть общим как для входа, так и для выхода. На основании этого имеются следующие виды подключения:

  • с общим эмиттером (происходит усиление напряжения и тока, используется чаще остальных видов);
  • с общей базой (усиливает только ток, используется редко);
  • с общим коллектором (усиливает напряжение, часто используется для согласования каскадов с разным сопротивлением).

Полевые побеждают, почему?

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, — наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания — батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.

Количественное своеобразие структуры транзистора.

Для определенности обратимся к транзистору типа n-p-n. В основе работы биполярного транзистора лежат не какие-либо новые физические процессы, еще не рассмотренные при изучении полупроводникового диода: своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции.

Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Это позволяет дать формальное представление структуры транзистора, представленное на рис. 1.53.

Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Именно это взаимодействие радикально отличает транзистор от схемы с двумя диодами (рис. 1.54).

В схеме с диодами ток каждого диода зависит только от напряжения на нем самом и никак не зависит от тока другого диода.

Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20 — 30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора.

Вообще полезно отметить, что в электронике достаточно часто реализуется следующий способ получения устройства, обладающего новым качеством: особым образом соединяют два одинаковых, уже хорошо изученных элемента. При изучении дифференциального усилителя станет ясно, что новое качество можно получить при использовании в роли таких элементов уже самих двух транзисторов.

Составные части устройства

Биполярный транзистор разделяется на три основные части:

  1. Эммитер – это один из слоёв полупроводника, его задача заключается в инжектировании носителей заряда в базу (её слой).
  2. База – это один из слоёв полупроводника, считается главным в транзисторе.
  3. Коллектор – слой полупроводника, задачей которого является собрать все заряды, которые прошли через базу.

Как правило, область эммитера немного уже, чем у коллектора. Поскольку изготовление базы происходит из слаболегированного полупроводника, то она является очень тонкой. В результате того, что площадь контакта между эммитером и базой гораздо уже, чем между базой и коллектором, то произвести замену коллектора и эмиттера просто невозможно, даже при большом желании. Подобная ситуация приводит к тому, что биполярный транзистор считается устройством, в котором отсутствует симметрия.

Характеристики

Так как полупроводниковые триоды (транзисторы) выполнены из полупроводника, то и на их работу влияет окружающая среда. Например, при изменении температуры окружающей среды, транзистор может вносить нелинейные искажения в выходной сигнал. С этим борются при помощи термпостабидизционных схем, которые позволяют стабилизировать работу транзистора на высоких температурах.

Также у транзисторов есть ВАХ (вольт-амперные характеристики), которые в отличие от вакуумной техники, быстро переходят в насыщение.

У всех транзисторов есть следующие параметры:

  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент усиления по напряжению;
  • Коэффициент усиления по току;
  • Коэффициент обратной связи;
  • Коэффициент передачи по току;
  • Входное сопротивление;
  • Выходное сопротивление;
  • Время включения;
  • Максимально допустимый ток и др.
  • Обратный ток коллектор-эмиттер;
  • Частота коэффициента передачи тока базы;
  • Обратный ток коллектора;
  • Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером и др.

Режимы работы

В целом, можно выделить несколько режимов работы:

  • Номинальный режим;
  • Инверсный;
  • Насыщения;
  • Отсечка;
  • Барьерный.

Твердотельная электроника. Учебное пособие.

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция.

Рассмотрим р-n переход эмиттер — база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением:

Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рисунке 5.5.

Рис. 5.5. Распределение инжектированных дырок в базе

Процесс переноса инжектированных носителей через базу — диффузионный. Характерное рас-стояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения -диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Это условие — W

Читайте также  Виды сварочных швов
Рис. 5.6. Зонная диаграмма биполярного транзистора:
а) в равновесном состоянии; б) в активном режиме

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

На рисунке 5.6а показана зонная диаграмма биполярного транзистора в схеме с общей базой в условиях равновесия. Значками (+) и (-) на этой диаграмме указаны основные и неосновные носители.

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном перехо-де — прямое напряжение, на коллекторном — обратное) является основным. Поэтому в дальнейшем будет рассматриваться транзистор в активном режиме, для p-n-р биполярного транзистора Uэ > 0, Uк

При приложении к эмиттерному переходу прямого напряжения Uэ > 0 в биполярном транзисторе p-n-р происходит инжекция дырок из эмиттера в базу Iэр и электронов из базы в эмиттер Iэn. Ввиду того, что эмиттер легирован намного сильнее базы, ток инжектированных дырок Iэр будет значительно превышать ток электронов Iэn. Инжектированные в базу дырки в результате диффузии будут перемещаться в коллекторному переходу, и если ширина базы W много меньше диффузионной длины Lp, 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.

Вольт-амперные характеристики БТ в активном режиме (Uk > 0):

Iэ — ток в цепи эмиттера, Iк — ток в цепи коллектора, I6 — ток на базовом выводе.

В активном режиме к эмиттеру приложено прямое напряжение и через переход течет эмиттерный ток Iэ, имеющий две компоненты:

где Iэр — ток инжекции дырок из эмиттера в базу, Iэn — ток инжектированных электронов из базы в эмиттер. Величина «полезной» дырочной компоненты равняется Iэp = γ·Iэ, где γ — эффективность эмиттера. Величина дырочного эмиттерного тока, без рекомбинации дошедшая до коллектора, равняется γκIэ.

Ток базы Iб транзистора будет состоять из трех компонент, включающих электронный ток в эмиттерном переходе Iэn = (1 — γ)·Iэ, рекомбинационный ток в базе (1 — κ)γIэ и тепловой ток коллектора Iк0.

Тепловой ток коллектора Iк0 имеет две составляющие:

где I — тепловой ток, Ig — ток генерации.

На рисунке 5.7 приведена схема биполярного транзистора в активном режиме, иллюстрирующая компоненты тока в схеме с общей базой.