БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Губа А.В., ДГТУ, Махачкала.

Ранее мы познакомились с простейшими представителями группы активных компонентов — полупроводниковыми диодами, физическими процессами, протекающими в них, основными параметрами. Другими наиболее функциональными компонентами этой группы являются полупроводниковые транзисторы. Изначально транзистор разрабатывался как некий электронный компонент, способный усиливать подаваемые на его вход сигналы по мощности. И действительно, он обладает таким свойством, но эффект усиления по мощности достигается за счет внешнего источника питания.

По способу управления все транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Управление биполярными транзисторами происходит за счет изменения величины электрического тока во входной цепи. Полевые же транзисторы управляются электрическим полем или, как часто говорят, напряжением.

Существует множество различных определений у биполярного транзистора, но более полное имеет следующее звучание. Биполярный транзистор – это полупроводниковый электропреобразовательный прибор, содержащий три области полупроводника различного типа электропроводности, два p-n перехода, три вывода и предназначенный для … . Но, чтобы описать все возможности транзистора будет недостаточно целой страницы журнала, так как в различных схемах он может выполнять и функции генерации электрических колебаний, и усиления сигналов, и коммутации, то есть замыкания и размыкания электрических цепей, и многие, многие другие. Название компонента “транзистор” произошло из двух английских слов: “transfer” – переносить и “resistor” – сопротивление, а “биполярный” связано с наличием у него двух различных носителей зарядов – электронов и дырок.

Изготавливают биполярные транзисторы, как правило, из германия и кремния. Его два p-n перехода создают с помощью трехслойной структуры из полупроводников с различными типами электропроводности. В зависимости от порядка расположения областей различают n-p-n и p-n-p транзисторы (рис.1).

 

Рис.1. Структура транзисторов n-p-n и p-n-p типов и их условное графическое                       обозначение.

 

Центральную область транзистора называют базой (Б), внешний слой, предназначенный для инжектирования носителей заряда в базу, называют эмиттером (Э), а переход между эмиттером и базой П1-эмиттерным. Второй внешний слой, экстрактирующий,  то есть вытягивающий  носители заряда из базы, называют коллектором, а переход П2-коллекторным. Вывод от базовой области является электродом, управляющим величиной тока, протекающего через транзистор так как, меняя величину напряжения между эмиттером и базой, можно управлять потоком инжекции и экстракции.

В активном режиме работы транзистора (режим усиления) на эмиттерный переход подается прямое смещение, а на коллекторный – обратное. Обычно величина напряжения UКБ  гораздо больше UЭБ.  В транзисторе различают входные и выходные токи и напряжения. Выводы транзисторов, к которым прикладывается входное напряжение, называют входными, а выходное напряжение – выходными. Но всегда один оставшийся вывод является общим и для входного и для выходного. В зависимости от того, какой вывод общий, различают следующие схемы включения транзистора (рис.2): с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

Рис.2. Схема включения транзистора с общей базой (а), с общим эмиттером (б),                                   с общим коллектором (в).

 

Наиболее распространенными являются транзисторы со структурой n-p-n-типа, выполненные на основе кремния. Поэтому далее будем рассматривать именно этот тип. Однако физические процессы в транзисторе p-n-p-типа протекают аналогичным образом, только неосновными носителями заряда, проходящими через базу, будут дырки, а не электроны.

Работа транзистора в усилительном режиме заключается в следующем. Смещение эмиттерного перехода в прямом направлении приводит к тому, что электроны инжектируются в базовую область, в которой они являются неосновными носителями, так как база изготовлена из материала р-типа. В области базы создаются такие условия, что электроны в ней почти не рекомбинируют с дырками, и диффундируют в направлении коллекторного перехода. Под действием источника напряжения этот переход для неосновных носителей смещен в прямом направлении, поэтому электроны проникают в коллекторную область и способствуют возрастанию тока в цепи коллектора. Однако, не все электроны, инжектируемые из эмиттера в базу, достигают коллекторной области. Небольшая их часть все-таки успевает рекомбинировать в базовой области р-типа. Потеря зарядов в области базы приводит к протеканию тока в ее цепи, путем изменения величины которого, можно управлять током между эмиттером и коллектором.

Наряду с усилительным режимом работы транзистора существует режим насыщения и режим отсечки. В режиме насыщения и эмиттерный, и коллекторный переходы  смещены в прямом направлении и инжектируют неосновные носители заряда в базовую область транзистора. Так как коллекторный переход уже не осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их накопление и интенсивная рекомбинация, поэтому ток базы может оказаться соизмерим с током эмиттера. Транзистор в этом режиме открыт и насыщен.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и через них протекают токи, в основном обусловленные тепловой генерацией носителей заряда в объеме полупроводника. В этом режиме транзистор закрыт (заперт).

Для работы транзистора в усилительном режиме необходимо управление выходным током за счет изменения входного. Из закона Кирхгофа для токов транзистора (рис. 2) справедливо соотношение

Перенос тока из эмиттерной цепи в коллекторную характеризуются коэффициентом передачи тока эмиттера, т.е.

Значение коэффициента α всегда меньше единицы и у современных транзисторов составляет 0,95…0,996. поэтому сразу же следует отметить, что схема включения транзистора с ОБ (рис. 2, а), у которой входным током является ток эмиттера Iэ, а выходным – ток коллектора Iк, усилительными свойствами по току не обладает, и такое включение транзистора применяют крайне редко. В основном используется схема включения с ОЭ (рис. 2, б), обладающая меньшим значением тока IБ, что и объясняет ее широкое применение. Коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ определяется как отношение выходного тока к входному

Коэффициенты β и α связаны следующим соотношением:

Отсюда следует, что так как α близок к единице, β значительно превышает единицу. В справочниках по транзисторам приводится статический коэффициент передачи тока, иногда обозначаемый через h21Э, где индекс «э» указывает на схему включения ОЭ. Величина этого коэффициента у некоторых транзисторов равна нескольким тысячам, а у отдельных достигает нескольких десятков тысяч.

Для определения свойств транзисторов, а также режимов работы транзисторных каскадов по любой схеме включения пользуются статическими и динамическими характеристиками. Статические характеристики биполярных транзисторов отражают связь между входными и выходными токами и напряжениями в транзисторе. В случае схемы включения транзистора с ОЭ зависимость тока базы IБ от величины приложенного напряжения между базой и эмиттером UБЭ, снятая при постоянном значении напряжения между коллектором и эмиттером UКЭ, т.е. IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const, называется входной характеристикой. Зависимость же тока коллектора IК от величины приложенного напряжения между коллектором и эмиттером UКЭ при фиксированных значениях тока базы IБ, т.е. IК = f(UКЭ) при IБ = const, называют семейством выходных характеристик транзистора. Упрощенный вид этих характеристик приведен на рис. 3.

Рис. 3. Статические характеристики транзистора с ОЭ входная (а) и выходная (b).

 

Входная характеристика транзистора (рис. 3, а) схожа с прямой ветвью вольт-амперной характеристики одиночного p-n перехода, т.е. диода, и незначительно зависит от напряжения UКЭ. Выходные характеристики (рис. 3, б) имеют небольшой наклон и почти прямолинейны в широком диапазоне изменения напряжения. Область отсечки ограничена величиной тока базы IБ = – IКБ0, где IКБ0 – тепловой обратный ток коллектора в схеме с ОЭ. Кроме этих двух, основных, характеристик транзистора иногда используют две другие – обратной связи по напряжению UБЭ = f(UКЭ) при IБ = const и прямой передачи по току IК = f(IБ) при UКЭ = const. Последние характеристики могут быть построены соответственно с использованием выходной и входной.

Динамический режим работы транзистора подразумевает наряду с изменением входного тока, и изменение выходного тока, а также изменение выходного напряжения. С этой целью в выходную цепь может быть включен резистор RК (рис. 4).

Рис. 4. Схема включения транзистора с ОЭ для реализации динамического режима.

 

Для приведенной схемы выходное напряжение

UКЭ = ЕК – IКRК.  (5)

Этот режим работы называют динамическим, а характеристики, определяющие зависимости между токами и напряжениями транзистора при наличии сопротивления коллекторной нагрузки RК-динамическими характеристиками. Такие характеристики (рис. 5 и рис. 6) строят на семействе статических характеристик при заданных значениях сопротивления RК и напряжения источника питания ЕК.

Рис. 5. Динамическая выходная характеристика транзистора с ОЭ.

Рис. 6. Динамическая входная характеристика транзистора с ОЭ.

 

При построении выходной динамической характеристики (рис. 5) пользуются уравнением (5), которое представляет собой уравнение прямой, получившей название нагрузочная прямая. На осях координатной системы (UКЭ, IК) достаточно найти отрезки, отсекаемые нагрузочной прямой, учитывая при этом, что если IК = 0, тогда UКЭ = ЕК, но если UКЭ = 0, то IК = ЕК/RК. Выходная динамическая характеристика является геометрическим местом точек пересечения нагрузочной прямой со статическими характеристиками.

Подобным образом проводится построение нагрузочной прямой на входных статических характеристиках транзистора (рис. 6). Уравнение этой прямой имеет следующий вид

UБЭ = ЕБ – IБRБ. (6)

Точки на осях, через которые походит нагрузочная прямая, имеют координаты (0, ЕБ/RБ) и (ЕБ, 0).

Для любого значения тока коллектора на выходной динамической характеристике можно определить напряжение между коллектором и эмиттером UКЭ, напряжение на резисторе Rк в цепи коллектора IКRК и ток во входной цепи IБ. Аналогично на входной динамической характеристике в точке пересечения нагрузочной прямой с характеристикой можно определить ток базы IБ и напряжение между базой и эмиттером UБЭ.

Точку пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой при заданном токе базы IБ = I называют рабочей точкой, а ее начальное положение на нагрузочной прямой – точкой покоя О. Точка покоя в выходной цепи определяет токи покоя I и I0Б,  а также напряжение покоя U.

Режим работы транзистора, при котором рабочая точка перемещается в пределах участка ВС на нагрузочной прямой, называют активным или усилительным режимом, а область между границами отсечки, насыщения и Рк max – рабочей областью характеристик транзистора.

Промышленно изготавливаемые биполярные транзисторы в соответствии со своими основными областями применения подразделяются на усилительные, генераторные, импульсные и переключательные. Каждая из групп транзисторов характеризуется системой параметров, определяющих возможность их использования в реальных схемах электронных устройств. Все параметры транзистора разделяют на два вида: электрические (номинальные) и предельные (предельно допустимые) эксплуатационные параметры.

Основными электрическими параметрами являются: статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ, граничная частота коэффициента передачи тока, напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмиттер, обратные токи коллектора и эмиттера, а также ряд других.

В электронных схемах транзистор может быть использован в широком диапазоне напряжений и токов, однако, ограничением их величин служат значения предельно допустимых режимов, превышение которых приведет к неисправности транзистора. К таким параметрам относят постоянные (импульсные) напряжения коллектор-база, коллектор-эмиттер, эмиттер-база, постоянный (импульсный) ток коллектора, постоянную рассеиваемую мощность коллектора и температуру окружающей среды, т.е. среды эксплуатации транзистора.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *