Элементы теории.

Биполярные транзисторы.

Транзистор - это полупроводниковый прибор, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три или более выводов.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два р-n перехода (рис. 1, а). В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов р-n-р и n-p-n). Их условное обозначение на электронных схемах показано на рис.1,б,в. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

Трехслойная транзисторная структура создается по силовой или диффузионной технологии (рис. 1,г). Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой. Два наружных р-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси. Один из слоев называется эмиттером, а другой коллектором. Так же называются и внешние выводы от этих слоев. Соответственно называются и переходы эмиттерный и коллекторный.

Функция эмиттерного перехода - инжектирование носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода - сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой (экстракция). Площадь коллекторного перехода делают больше площади эмиттерного перехода для того, чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящие через базу, полнее собирались коллектором,

В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящих через базу: в транзисторах типа р-n-р - это дырки, в транзисторах типа n-р-n - электроны.

Принцип действия транзистора и его основные параметры

Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на примере структуры р-n-р (рис. 1.а).

Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях транзистора несущественно. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере.

При отсутствии внешних напряжений на границах раздела трех слоев образуются объемные заряды, а в эмиттерном и коллекторном переходах создается внутреннее электрическое поле.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного перехода - в обратном направлении. .Это достигается с помощью двух источников напряжения U_эб и U_кб. Напряжение подключается положительным полюсом к эмиттеру, отрицательным к базе, напряжение U_кб - отрицательным полюсом к коллектору, положительным к базе.

Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок основных носителей зарядов эмитторного слоя - уменьшается и дырки из эмиттера под действием диффузии будут в большем количестве переходить (инжектировать) в область базы.

Рис.1

Аналогично увеличится диффузионный поток электронов - основных носителей заряда области базы - в эмиттер. Ток эмиттерного перехода и цепи эмиттера можно записать в виде

I_э= I_эр + I_эп

Дырочная составляющая тока I_эр, создается потоком дырок, переходящих из эмиттера в базу. Большинство дырок в последующем достигает коллектора и вызывает коллекторный ток транзистора. Электронная составляющая тока I_эп обусловлена движением электронов из базы в эмиттер. Она замыкается через источник U_эб и не создает тока в коллекторной цепи. Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмиттерном переходе сводятся к инжекции основных носителей заряда эмиттера в базу.

С точки зрения качества эмиттерного перехода необходимо, чтобы электронная составляющая эмиттерного тока I_эп , была существенно меньше его дырочной составляющей I_эр. Это достигается значительным (на два - три порядка) превышением концентрации основных носителей заряда в эмиттере над концентрацией основных носителей заряда в базе.

Процессы в базовом слое определяются в основном поведением дырок, перешедших в базу через эмиттерный переход. Инжектируемые дырки, попадая в базовый слой, повышают концентрацию дырок в базе вблизи эмиттера по сравнению с равновесной концентрацией. Возникает градиент концентрации дырок в базе и развивается диффузионное движение дырок в базе в сторону коллектора, т.е. в направлении меньшей концентрации. Концентрация дырок в базе на границе с коллекторным переходом устанавливается близкой к нулю, так как дошедшие до коллекторного перехода под действием диффузии дырки (являющиеся для базы неосновными носителями) ускоряются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, и переносятся в коллектор. Таким образом, ток коллектора создается за счет увеличения дрейфовой составляющей тока коллекторного перехода, обусловленного инжекцией дырок из эмиттера в базу.

Ширина базового слоя очень мала, значительно меньше диффузионной длины. Поэтому время жизни неосновных носителей заряда в базе во много раз больше времени, необходимого для диффузии к коллекторному переходу.

В установившемся режиме объемный заряд дырок в базе скомпенсирован объемным зарядом электронов, т.е. база является электрически нейтральной. Электроны, компенсирующие объемный заряд дырок, поступают по цепи базы от источника U_эб.

Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в процессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электронами. В результате количество дырок, дошедших до коллектора, будет меньше количества дырок, поступивших из эмиттера, и соответственно дырочная составляющая коллекторного тока I_кр будет меньше дырочкой составляющей эмиттерного тока I_эр.

Рекомбинация дырок с электронами создает недостаток электронов, требующихся для компенсации дырок, постоянно входящих в базу из эмиттера. Необходимые электроны поступают по цепи базы от источника, создавая базовый ток рекомбинации I_бр. Следовательно, разность между дырочными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией:

I_эр - I_кр = I_бр

Коллекторный р-n переход предназначен для перевода своим полем дырок, достигших его, в коллекторную область. В нем происходит экстракция дырок из базы в коллектор.

Дырочная составляющая коллекторного тока транзистора связана с током эмиттера соотношением

I_кр = a I_э

где a- коэффициент передачи тока эмиттера,

Способы приближения к единице коэффициента a основаны на увеличении разности концентраций основных носителей заряда в слоях эмиттера и базы, увеличении времени жизни дырок в базе, уменьшении ширины базового слоя в создании ускоряющего поля в слое базы (a= 0,950..... 0,998).

Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока коллекторного перехода I_ко. Как известно обратный ток. I_ко, перехода мал, он создается дрейфом неосновных носителей заряда, в данном случае он определяется исходными равновесными концентрациями дырок в базе и электронов в коллекторе. Поскольку концентрации неосновных носителей заряда зависят от температуры, величина обратного тока также зависит от нее, поэтому этот ток часто называют тепловым, как и для диода. От величины тока эмиттера I_ко не зависит.

Таким образом, ток коллектора I_к состоит из дырочной составляющей I_кр и теплового тока I_ко.

I_к = I_кр + I_ко

ток базы I_б равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера I_эп, рекомбинационной составляющей I_бр теплового тока I_ко:

I_б = I_эп + I_бр - I_ко

Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока I_н под действием входного (эмиттерного) тока I_э (или напряжения U_бэ), обусловливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока I_кр за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока I_эр. Следовательно, биполярный транзистор управляется током

I_к =a I_э + I_ко (1)

Основное соотношение для токов на выводах транзистора соответствует первому закону Кирхгофа:

I_э = I_к + I_б

С учетом теплового тока I_ко и коэффициента передачи тока эмиттера, a ток I_б можно выразить таким образом:

I_б = I_э - I_к = (1-a) I_э - I_ко

откуда видно, что ток базы является незначительным по сравнению с током эмиттера.

СТАТИЧЕСКИЕ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ТРАНЗИСТОРА

При использовании транзистора в различных схемах практический интерес представляют зависимости напряжения и тока входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные ВAX). Статические характеристики снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току). Вид характеристик зависит от способа включения транзистора.

ВЫХОДНЫЕ характеристики транзистора в схеме с ОБ отражают зависимости тока коллектора I_к от напряжения U_кб при фиксированном токе эмиттера I_э (рис. 2,а):

I_к =F(U_кб)| I_э=const

Для схемы с ОБ характерно расположение начальной области характеристик I левее оси ординат (рис. 2,б). Это обусловлено тем, что электрическое поле в коллекторном переходе транзистора определяется суммой внутренней контактной разности потенциалов j_о и внешнего напряжения U_кб. При U_кб =0 и заданном токе эмиттера дырки переносятся в коллектор из базы под действием внутреннего поля коллекторного р-n-перехода и создают ток коллектора I_к. Чтобы уменьшить ток I_к , нужно создать встречный поток дырок из коллектора в базу, т.е. путем изменения полярности напряжения сместить коллекторный переход в прямом направлении и перевести его в режим инжекции носителей заряда (в режим эмиттера). При подаче некоторого напряжения положительной полярности U_кб (на II рис. 2,б откладывается влево от точки 0) потоки дырок через коллекторный переход будут взаимно скомпенсированы и ток I_к = 0. Естественно, что с увеличением тока. I_э для обеспечения I_к = 0 необходимо подать напряжение U_кб большей величины. Этим объясняется смещение влево начальных участков характеристик с увеличением тока I_э.

Особенностью характеристик в области II является слабая зависимость тока коллектора I_к от напряжения U_кб. Ток коллектора определяется током эмиттера.

Некоторое увеличение тока I_к при увеличении отрицательного напряжения U_кб обусловливается увеличением коэффициента передачи тока эмиттера a вследствие возникаю щего эффекта модуляции толщины базового слоя (эффекта модуляции базы), а также некоторого роста обратного тока I_ко. Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода за счет увеличения объемного заряда в нем, вызванного повышением обратного напряжения на коллекторном переходе, которое практически равно U_кб. Поскольку расширение перехода происходит главным образом за счет базового слоя, как более высокоомного, то повышение напряжения U_кб приводит к уменьшению толщины базового слоя, а следовательно, к уменьшению числа рекомбинаций дырок с электронами в нем, увеличению коэффициента a, и соответственно тока коллектора I_к.

Некоторое возрастание тока I_к на выходных характеристиках при повышении напряжения U_кб вследствие увеличения коэффициента a за счет эффекта модуляции базы характеризуется ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ коллекторного перехода

которое может быть найдено из коллекторных (выходных) характеристик как отношение приращений напряжений и тока. Для маломощных транзисторов величина r_кб - составляет 0,5 -1 МОм,

При- I_э = 0 зависимость I_k =F(U_кб) представляет собой обратную ветвь ВАХ коллекторного р-n перехода. Обратный ток коллекторного р-n-перехода определяет составляющую I_ко в коллекторном токе транзистора.

В области П выходные характеристики практически линейны, сопротивление r_кб можно принять неизменным и зависимость I_k =F(U_кб) можно представить в аналитической форме:

(2)

и тем самым уточнить соотношение, полученное без учета эффекта модуляций базы.

Наличие составляющей I_ко является одной из главных причин температурной зависимости выходных характеристик транзистора.

Для транзистора существует предел повышения коллекторного напряжения ввиду возможного электрического пробоя коллекторного перехода (область III), который может перейти в тепловой пробой. Величина допустимого напряжения U_кб указывается в справочниках.

ВХОДНЫЕ характеристики транзистора в схеме с ОБ (рис. 2,в) представляют собой зависимость I_э =F(U_эб)| U_кб= const и по виду близки к прямой ветви ВАХ р-n перехода (диода). Входная характеристика, снятая при U_кб= 0 проходит через начало координат. Характеристики, снятые при больших напряжениях U_кб, располагаются левее и выше. Это обусловливается эффектом модуляции базы, приводящим к повышению градиента концентрации дырок в базе, возникновению внутренней обратной связи и увеличению тока I_э. Входные характеристики транзистора характеризуются входным дифференциальным сопротивлением

сопротивлением

На рис. 3.а показана Т-образная схема замещения транзистора в физических параметрах, отражающая взаимосвязь приращений токов и напряжений на выводах транзистора в активной режиме. Схема содержит следующие элементы: r_э- дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода, r_э j_т/I_э; r_к - дифференциальное сопротивление коллекторного перехода; aI_э - источник тока, управляемый током эмиттера, который отражает основное усилительное свойство транзистора - зависимость тока коллектора от тока эмиттера; r_б -объемное сопротивление базы (составляет 100 - 400 Ом в зависимости от типа транзистора).

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА, ВКЛЮЧЕННОГО ПО СХЕМЕ С ОЭ

В схеме о ОЭ (рис. 4,а) вывод эмиттера является общим для входной и выходной цепей транзистора. Напряжение U_эб определяет напряжение на эмиттерном переходе. Напряжение на коллекторном переходе определяется как разность: U_кб = U_кэ - U_бэ.

ВЫХОДНЫЕ характеристики транзистора в схеме с ОЭ определяют зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером I_k=F(U_кэ) при I_б=const (рис. 4,б). Как и для схемы с ОБ, здесь можно выделить три характерные области: I- начальную область; П - область относительно слабой зависимости I_k от U_кэ; III- пробой коллекторного перехода.

Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ отличается от соответствующих характеристик в схеме с ОБ. В частности, они начинаются из точки с координатами О, О и участок I располагается в первом квадранте. При U_кэ= 0 напряжение на коллекторном переходе равно U_бэ, коллекторный переход смещен в прямом направлении и инжектирует

дырки в базу. Потоки дырок через коллекторный переход (от коллектора в базу и от эмиттера в коллектор) взаимно уравновешиваются и ток I_k 0. По мере повышения напряжения U_кэ в области I прямое напряжение на коллекторном переходе снижается, его инжекция уменьша ется и ток I_k возрастает. На границе с областью II прямое напряжение на коллекторном переходе снижается до нуля, поскольку U_кэ становится равным по величине U_бэ. В области II |U_кэ| >|U_бэ| и на коллекторном переходе действует обратное напряжение. Точка перехода из области I в область II соответствует напряжение U_кэ порядка 5,5 - 1,5 В.

Отличие характеристик для схемы с ОЭ в области II видно, если выразить ток коллектора I_k через ток базы I_б. Заменим в выражении (2) ток эмиттера суммой I_б + I_k, после подстановки получим

или

(3)

где b- коэффициент передачи тока базы, b=a/(1-a); I_кэо- начальный ток коллектора прй I_б=0, I_кэо = I_ко/(1-a)= I_ко(1+b); r_к(э)- дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ; r_к(э)= r_к(1-a)= r_кб/(1+b)

Коэффициент b показывает связь тока коллектора с входным током I_б. Если для транзисторов коэффициент a = 0,95... 0,998..., тоb>>1, b 20 ...1000. Транзистор в схеме с ОЭ дает усиление по току. Это является важнейшим преимуществом включения транзистора по схеме с ОЭ, чем и определяется более широкое распространение этом схемы включения по сравнению со схемой с ОБ.

Так же, как и в схеме с ОБ, выходные характеристики имеют некоторый наклон к оси абсцисс (рис. 4.б), вызванные эффектом модуляции базы. Однако этот наклон в схеме с ОЭ больше, чем в схеме с ОБ, так как малые изменения коэффициента, a под действием изменения напряжения на коллекторном переходе дают значительные изменения коэффициента b= a/(1-a). Это явление учитывается последним слагаемым в правой части уравнения (3). В результате дифференциальное сопротивление с r_к(э) коллекторного перехода в схеме с ОЭ в (1 +b) раз меньше дифференциального сопротивления r_к, в схеме с ОБ и составляет 30 - 40 кОм.

Через вывод базы во встречном направлении протекают две составляющие тока, обратный ток коллекторного перехода и часть тока эмиттера . В результате нулевое значение тока базы определяется равенством указанных составляющих токов: =I_ко. Нулевому входному току соответствует ток эмиттера и ток коллектора . При нулевом токе базы через транзистор в схеме с OЭ протекает начальный или сквозной ток .

Если же эмиттерный переход перевести в непроводящее состояние, подав обратное напряжение , то ток коллектора снизится до и будет определяться обратным (тепловым) током коллекторного перехода, протекающим, по цепи база - коллектор . Область характеристик, лежащую ниже характеристики, соответствующей , называют областью отсечки.

Коллекторные характеристики в схеме с ОЭ более существенно подвержены температурным смещениям. Это обусловлено, во-первых, значительной величиной начального тока , температурные изменения которого в (1 + ) раз превышают изменения теплового тока, и, во-вторых, более сильными температурными изменениями коэффициента при относительно малых температурных изменениях коэффициента

В схеме с ОЭ пробой коллекторного перехода наступает при коллекторном напряжении в 1,5 - 2 раза меньшем, чем в схеме с ОБ.

ВХОДНЫЕ характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ, отражают зависимость тока базы от напряжения база - эмиттер при фиксированном напряжении коллектор - эмиттер:

(Рис. 4,в).

Ток базы составляет малую часть тока эмиттера .

При входная характеристика проходит через начало координат. Ток базы равен сумме токов эмиттера и коллектора, работающего в режиме эмиттера, составляющая отсутствует. При подаче отрицательного напряжения на коллектор происходит уменьшение тока , т.е, смещение вниз характеристик относительно кривой с из-за эффекта модуляции базы. В токе при присутствует составляющая I_ко, поэтому при входные характеристики начинаются с отрицательного значения тока базы, равного . Транзистор включенный по схеме с общим эмиттером, характеризуется входным дифференциальным сопротивлением

,

которое в (1 + ) раз больше входного дифференциального сопротивления для схемы с ОБ.

На рис, 3,б показана Т-образная схема замещения транзистора, преобразованная для включения его по схеме с OЭ и отражающая взаимосвязь приращений токов и напряжений на выводах транзистора в активном режиме. Схема содержит следующие элементы: r_э-дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода (то же, что и для схемы с ОБ); r_к(э)-дифференциальное сопротивление коллекторного перехода в схеме с ОЭ, ; - источник тока, управляемый током базы, который отражает усилительное свойство транзистора по току - зависимость тока коллектора от тока базы объемное сопротивление базы (то же, что и для схемы с ОБ).

ТРАНЗИСТОР КАК АКТИВНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК

Для расчета электронных схем при относительно малых приращениях токов и напряжений транзисторов, когда они работают на линейных участках характеристик, могут применяться Т-образные схемы замещения. Параметры транзистора, входящие в Т-образную схему замещения, непосредственно характеризуют физические свойства трехслойной полупроводниковой структуры. Прямое их измерение невозможно. Поэтому часто более удобно рассматривать транзистор в виде активного четырехполюсника, параметры которого можно определить опытным путем на основе измерения токов и напряжений на выводах. При этом информация о внутренней физической структуре не требуется. При малых приращениях токов и напряжений на входе и выходе транзистора взаимосвязь между ними будет линейной, как и у линейного четырехполюсника. Эта взаимосвязь выражается системой двух линейных уравнений.

Для транзистора как четырехполюсника в качестве независимых переменных обычно принимают приращения входного тока и выходного напряжения , а приращения входного напряжения и выходного тока выражают через так называемые h-параметры транзистора:

;

.

Неизвестные h -параметры транзистора легко определяются опытным путем:

- входное сопротивление транзистора при неизменном выходном напряжении;

- коэффициент передачи тока при неизменном выходном напряжении;

- коэффициент обратной связи по напряжению при неизменном входном токе;

- выходная проводимость транзистора при неизменном входном токе.

Конкретные значения h -параметров зависят от схемы включения транзистора, режима работы и могут быть определены по соответствующим статическим характеристикам. Так, для схемы с ОБ по входным характеристикам (рис. 2,в) можно при любых заданных дать приращения токов, напряжений и найти

соответственно по выходным характеристикам (рис. 2,б):

h- параметры связаны с параметрами Т-образной схемы замещения следующим образом:

;

Подобным же образом определяются h- параметры для схемы с ОЭ (рис. 4,в):

;

;

Н схеме с ОЭ h- параметры выражаются через параметры соответствующей Т-образной схеме замещения (Рис. 3,б) следующим образом:

Из этих соотношение видна взаимосвязь h - параметров в схеме ОЭ с h - параметрами схемы ОБ.

Параметр имеет малую величину ( и при приближенных расчетах обычно не учитывается. На рис. 3, в показана схема замещения транзистора на основе h-параметров. Она не отражает внутреннюю структуру транзистора, но устанавливает взаимосвязь между приращениями токов и напряжений на его выводах.

Схема замещения транзистора с общим эмиттером

Данную Т-образную схему можно считать несколько упрощенной. На схеме замещения показаны основные первичные (собственные) параметры транзистора: сопротивление эмиттера r_э, базы r_б и коллектора r_к. Первичные и вторичные параметры между собой находятся во взаимной связи. Расчеты вторичных параметров основаны на том, что транзистор представляется в видеактивного четырехполюсника. При расчете и анализе схем информационной электроники пользуются системой h-параметров. Если входные ток и напряжение обозначить I_вх, U_вх, а выходные – I_вых, U_вых, то их связь через h-параметры выражается в виде уравнений:

Из уравнений независимо от схемы включения можно определить все h-параметры: h₁₁, h₁₂, h₂₁, h₂₂.

Как правило, в справочниках приводятся данные только по некоторым из h-параметров, чаще всего – h₂₁. Этого недостаточно для расчета транзисторных схем.

Для определения остальных h-параметров, а также уточнения h₂₁ используются статические входные и выходные характеристики. При этом на прямолинейных участках ВАХ выбираются рабочие точки, строятся характеристические треугольники, где отмечаются приращения токов и напряжений, и по их отношению рассчитываются все h-параметры, соответствующие выбранной схеме включения. Далее по рассчитанным значениям h-параметров определяются первичные или собственные параметры транзистора.